Средощадящие технологии разработки лесосек в условиях Северо-Западного региона Российской Федерации: Монография

Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное агентство по образованию Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Санкт-Петербургская государственная лесотехническая академия имени С.М. Кирова» И.В. Григорьев доктор технических наук, доцент А.И. Жукова кандидат технических наук О.И. Григорьева кандидат сельскохозяйственных наук А.В. Иванов инженер

СРЕДОЩАДЯЩИЕ ТЕХНОЛОГИИ РАЗРАБОТКИ ЛЕСОСЕК В УСЛОВИЯХ СЕВЕРО-ЗАПАДНОГО РЕГИОНА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Санкт-Петербург 2008

Рассмотрено и рекомендовано на заседании Научно-методического совета Санкт-Петербургской государственной лесотехнической академии имени С.М. Кирова «23» октября 2008 г. УДК 630*372 Григорьев И.В., Жукова А.И., Григорьева О.И., Иванов А.В. Средощадящие технологии разработки лесосек в условиях Северо-Западного региона Российской Федерации, СПб.: ЛТА, 2008. 174 с. В монографии разработана координатно-объемная методика трассирования путей первичного транспорта леса, в различных природно-производственных условиях. Разработана и исследована математическая модель, лимитирующая число проходов трелевочных систем по одному следу, исходя из условия улучшения лесной почвы. Обоснованы принципы сохранения выделяемых ключевых биотопов на лесосеке. Рассмотрены вопросы сохранения подроста главных пород. Приведены результаты исследований по динамическому воздействию движителей лесозаготовительных машин на почво-грунты лесосек. Даны рекомендации по выбору систем машин и технологий разработки труднодоступных лесосек. Часть материалов получена при выполнении НИР по грантам в форме совместного финансирования Министерства образования РФ и Правительства СанктПетербурга на тему «Обоснование способа трелевки и параметров трелевочных систем на базе различных типов трелевочных тракторов, для наиболее распространенных природно-производственных условий РФ» - 2003 г., «Разработка системы машин и технологии лесосечных работ ориентированной на последующее естественное лесовозобновление» - 2004 г.; грантам Правительства Санкт-Петербурга «Разработка технических и технологических средств оптимизации технологической и экологической эффективности проведения сплошных рубок главного пользования лесом» - 2005 г., «Разработка научно-методических основ снижения экологического ущерба от переуплотнения и разрушения лесных почв при эксплуатации лесозаготовительных машин» - 2008 г.; а также Гранту Президента РФ «Повышение эффективности сплошных рубок главного пользования лесом» (МК-2068.2005.5) 2005-2006 гг. Предназначено для инженерно-технических и научных работников лесного комплекса, студентов специальности 250401 «Лесоинженерное дело», бакалавров и магистров направления 250300 «Технология и оборудование лесозаготовительных и деревообрабатывающих производств», аспирантов специальности 05.21.01 «Технология и машины лесозаготовок и лесного хозяйства». Библиогр. 141 назв. Табл. 13. Ил. 74. © Санкт-Петербургская государственная лесотехническая академия имени С.М. Кирова (СПб ГЛТА), 2008 © И.В. Григорьев, А.И. Жукова, О.И. Григорьева, А.В. Иванов

2

ВВЕДЕНИЕ Центральной задачей лесного комплекса всегда было сохранение, приумножение и эффективное использование лесных богатств в интересах человека, общества и государства. 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 содержалось в одном из посланий Президента Российской Федерации 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 Российской Федерации (одобренную распоряжением Правительства Российской Федерации от 31 августа 2002 г. № 1225-р) и концепцию устойчивого управления лесами Российской Федерации. Основным требованием, предъявляемым к лесопользованию, является его неистощительность, а в перспективе и обязательное способствование расширенному воспроизводству лесных ресурсов – процессу непрерывного расширения производительной способности лесных биогеоценозов, задачей которого является получение через оборот рубки двух кубометров древесины там, где раньше был взят один. Для выполнения этого требования в статью 90 «Обязанности лесопользователей по воспроизводству лесов» Лесного Кодекса РФ включено требование: «… лесопользователи обязаны соблюдать требования к сохранению оптимальных условий для воспроизводства лесов. Эти требования должны учитываться при разработке новой техники для заготовки и трелевки древесины». В Перечень критических технологий Российской Федерации 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 Российской Федерации утвержденный Президентом РФ 30 марта 2002 г. Пр-577 включено направление «Экология и рациональное природопользование». Все вышесказанное позволяет утверждать, что проблема повышения эксплуатационной эффективности рубок главного пользования лесом при одновременном обеспечении наиболее оптимальных условий для лесовозобновления является весьма актуальной. Известно, что, помимо типа леса предшествующей генерации, от применяемой на лесозаготовках техники и в особенности технологии напрямую зависит тип вырубки образующейся на месте проведения лесосечных работ. От типа вырубки, в свою очередь, напрямую зависит как срок

3

лесовозобновления, так и тип образующегося на месте вырубки леса, а, следовательно, его породные и качественные показатели. Известны два пути преодоления противоречий между экологией леса, его возобновлением с одной стороны и лесозаготовительной техникой и технологией – с другой: это, во-первых, разработка технологий лесосечных работ, соответствующих применяемым лесозаготовительным машинам и в то же время предусматривающих возможно минимальное нанесение повреждений лесу и его составным частям – самосеву, подросту, оставляемым на корню деревьям, почве и пр.; во-вторых, разработка новых лесозаготовительных машин, отвечающих требованиям лесозаготовительного производства и лесоводства, т.е. таких, которые не снижали бы продуктивность леса и его способность к возобновлению. Наиболее экономически эффективным признан первый путь, поскольку не представляется возможным создать серийный ряд машин для всех возможных природно-производственных условий. Цель данной работы состоит в обосновании путей повышения эксплуатационной и экологической эффективности проведения рубок главного пользования лесом, путем обоснования трасс, режимов работы и вида первичного транспорта леса, обеспечивающих устойчивое естественное лесовозобновление.

4

Глава 1. СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ 1.1 Современное состояние развития технологии и оборудования лесосечных работ 1.1.1 Современные технологические процессы лесосечных работ Известно, что [1, 2, с. 1321] технология (от греческого techne – мастерство, умение, искусство) – совокупность методов обработки, изменения состояния, формы, размеров, свойств, и месторасположения предмета труда в процессе производства продукции. Технологией лесозаготовительных производств называется система знаний о способах и средствах выполнения на лесосеках, погрузочных пунктах и лесных складах ряда операций от валки леса до отгрузки его потребителю в требуемом виде [3]. Все технологические операции можно подразделить на три большие группы [5]: рабочие – в результате которых изменяются размеры, формы и свойства предмета труда (срезание дерева, раскряжевка на сортименты, пропитка антисептиками и антипиренами и др.); переместительные – в результате которых изменяется месторасположение предмета труда (трелевка древесины, погрузка и выгрузка, перемещение между станками и оборудованием в технологическом потоке); смешанные – в результате которых одновременно происходит обработка и перемещение предмета труда (очистка деревьев от сучьев при помощи мобильных и стационарных сучкорезных машин, окорка кряжей и др.). На лесосечных работах технологические операции выполняются на лесосеке и на погрузочном пункте (верхнем складе). В зависимости от набора технологических операций, места их выполнения и вида продукции, вывозимого с лесосеки, технологические процессы лесосечных работ можно подразделить на три основные группы: хлыстовую технологию, сортиментную технологию и технологию с углубленной переработкой древесины [4]. В табл. 1.1 представлены наиболее распространенные технологические процессы всех трех групп лесосечных работ. Следует иметь в виду, что в группе технологических процессов с углубленной переработкой древесины теоретически возможно большее разнообразие получаемой продукции, однако в настоящее время эта группа процессов развита слабо и представлена на уровне современного развития.

5

Таблица 1.1 Технологические процессы лесосечных работ Группа № тех Операции выВид Операции выВид выпрополняемые на треполняемы на возимоцесса лесосеке люемо- верхнем складе го леса го леса 1 В-Фп Д П Д Хлыстовая 2 В-Фп Д Ос-П Х 3 В-Ос-Фп Х П Х 4 В-Ос-Фп Х Р-П С 5 В-Фп Д Ос-Р-П С Сортиментная 6 В-Ос-Р-Фп С П С 7 В-Ос-Р-Фп-П С 8 В-Фп Д Ос-Р-Пр-П Пм С углуб9 В-Ос-Р-Фп С Пр-П Пм ленной перера10 В-Ос-Р-Фп С Ок-Рщ-П Щтех боткой Рщ поруб ост-П Щтоп Условные обозначения: В – валка деревьев; Ос – очистка деревьев от сучьев; Р – раскряжевка; Фп – формирование пакета; П – погрузка на лесовозный транспорт; Пр – продольная распиловка; Ок – окорка; Рщ – рубка в щепу; Д – деревья; Х – хлысты; С – сортименты; Щтех – щепа технологическая; Щтоп – щепа топливная. Хлыстовая технология заготовки леса является наиболее распространенной в Российской Федерации в настоящее время, на нее приходится около 80 % всего заготовляемого леса, а в США и Канаде более 85%. Технологический процесс № 1. Достоинства: позволяет свести к минимуму число операций выполняемых на лесосеке и перенести их выполнение на более производительное стационарное оборудование нижних складов и бирж сырья лесозаготовительных и деревообрабатывающих предприятий, уменьшить трудозатраты на очистку лесосек и использовать сучья, вершины и ассимиляционный аппарат деревьев (хвоя и листья) на производство полезной продукции (топливной и технологической щепы, арболита, хвойно-витаминной муки, и пр.). Недостатки: при трелевке деревьев, труднее сохранить подрост и предотвратить повреждения оставляемых на корню деревьев [6], современная лесоводственная наука считает нежелательным вывоз порубочных остатков с территории лесосеки в связи с обеднением лесной почвы т.к. в порубочных остатках и ассимиляционном аппарате содержится более 75% всех минеральных веществ содержащихся в дереве [7], при вывозке деревьев уменьшается использование полезной грузоподъемности лесовоз6

ного транспорта из-за низкого коэффициента полнодревесности пакета [3], на большинстве производственных площадок лесозаготовительных и деревообрабатывающих предприятий отсутствуют технические и технологические возможности переработки порубочных остатков [8]. Технологический процесс № 2 Достоинства: позволяет сконцентрировать порубочные остатки на территории верхнего склада, что уменьшает трудозатраты на очистку лесосеки, улучшаются условия для применения высокопроизводительных мобильных сучкорезных машин [9, 10], лучше используется грузоподъемность лесовозного транспорта. Недостатки: трелевка деревьями, увеличение числа операций выполняемых в лесу. Технологический процесс № 3 Достоинства: трелевка хлыстов позволяет уменьшить степень повреждаемости подроста и оставляемых на корню деревьев, появляется возможность использования порубочных остатков для укрепления трелевочных волоков при слабой несущей способности грунтов [11]. Недостатки: увеличиваются затраты на последующую очистку территории лесосеки, затруднено и обычно невозможно последующее применение порубочных остатков для производства полезной продукции. Сортиментная технология заготовки леса наиболее предпочтительна для небольших лесозаготовительных фирм, не имеющих своих лесоперерабатывающих площадок, и торгующих древесиной «с колес». Кроме того, она рекомендуется при невозможности использования хлыстовой вывозки леса, например при малых радиусах поворота лесовозной дороги [3]. Технологический процесс № 4 При такой технологической схеме работы по валке деревьев, очистке их от сучьев и раскряжевке обычно выполняются при помощи ручного моторного инструмента – бензиномоторных пил. Подобная технология распространена на несплошных рубках, при отсутствии у предприятия высокопроизводительных многооперационных машин, позволяет использовать порубочные остатки для укрепления трелевочных волоков и вывозить с лесосеки готовую продукцию, если предприятие торгует круглым лесом. Основным недостатком является большая доля ручного труда на лесосечных работах. Технологический процесс № 5 Имеет недостатки связанные с трелевкой леса деревьями, но позволяет использовать на верхнем складе многооперационные сучкорезнораскряжевочные машины (также называемые процессорами). Технологические процессы № 6 и 7

7

Являются классическим примером так называемой «скандинавской» технологии заготовки леса. На валке леса используются либо бензиномоторные пилы, тогда на очистке деревьев от сучьев и раскряжевке используются процессоры, либо валочно-сучкорезно-раскряжевочные машины (также называемые харвестеры). Хотя иногда все технологические операции выполняются при помощи бензиномоторной пилы. На трелевке используются сортиментоподборщики (также называемые форвардеры) с колесным или гусеничным движителем. Технологический процесс № 7 предусматривает так называемую «прямую вывозку леса», т.е. без выделения специальной операции трелевки и перегрузки на лесовозный транспорт. Работа по такой схеме будет эффективной при небольшом расстоянии вывозки (до 40 км) и использовании в качества транспорта леса только колесных форвардеров. Так работают в основном в скандинавских и европейских странах, где расстояния вывозки обычно невелики. Технологию с углубленной переработкой древесины можно признать весьма перспективной, ее развитие в настоящее время сдерживается отсутствием недорогой и эффективной техники способной перерабатывать заготовляемую древесину на щепу и пиломатериалы в условиях лесосеки. Разработка такой техники находится сейчас на стадии проектирования и экспериментальных исследований. Технологические процессы № 8 и 9 предусматривают проведение на лесосеке и погрузочном пункте всех технологических операций по выработке пиломатериалов. В настоящий момент применяется, в основном, в мелких частных лесовладениях за рубежом. Основным технологическим инструментом является бензиномоторная пила и специальные приспособления к ней, рубка осуществляется на прииск. На современный момент такая технология заготовки не получила промышленного распространения в связи с отсутствием высокопроизводительной техники способной производить продольную распиловку круглых лесоматериалов в условиях лесосеки. Технологический процесс № 10 позволяет получать на лесосеке технологическую и топливную щепу. Весьма перспективен в условиях плантационного лесовыращивания. Однако, на современном этапе развития лесопромышленного комплекса получение технологической щепы в условиях лесосеки затруднено из-за отсутствия машин способных производить качественную окорку в данных условиях. Получение топливной щепы из порубочных остатков в условиях лесосеки активно внедряется в технологический процесс лесозаготовок в последние годы.

8

1.1.2 Современные системы машин для лесосечных работ В настоящее время в мире существуют две различные концепции лесопользования [12]. Первая, традиционная модель, также называемая доминантная, согласно которой все леса лесного фонда подразделяются на группы в соответствии с их экономическим, экологическим и социальным значением, месторасположением и выполняемыми функциями. В РФ используется именно эта модель, законодательно закрепленная в Лесном кодексе, согласно которому все леса лесного фонда разделены на три группы. В большинстве стран также используются схожие системы. Считается, что такая модель плохо отвечает природе леса и имеет под собой скорее экономические, нежели экологические основания. В противовес доминантной модели лесопользования в последние десятилетия за рубежом активно развивается и используется так называемая многоцелевая концепция лесопользования, которая подразумевает одновременное использование леса для различных, часто противоположных целей, например, проведение рубок главного пользования в охранных и рекреационных зонах. Считается, что такая модель более соответствует природе леса как взаимосвязанной совокупности растительных и животных форм жизни. Вместе с тем, такой подход к лесопользованию значительно удорожает готовую продукцию лесосечных работ, поскольку в данном случае практически исключается возможность проведения сплошных рубок. Такая экоцентричная модель лесопользования пока применяется только в странах, не ориентированных на преимущественно эксплуатационное пользование лесом. В настоящее время широко декларируется переход России к неистощительному лесопользованию и устойчивому управлению лесами, целью которого является повышение экологического и ресурсного потенциала лесов, удовлетворение потребностей общества в лесных ресурсах на основе научно обоснованного рационального, многоцелевого лесопользования, охраны, защиты, воспроизводства и сохранения биологического разнообразия лесов. Для достижения поставленной цели требуется, чтобы техника и технологии лесосечных работ удовлетворяли как экономическим интересам лесозаготовителей, так и требованиям скорейшего, качественного лесовозобновления. Известны два пути преодоления противоречий между экологией леса [13], его возобновлением с одной стороны и лесозаготовительной техникой и технологией – с другой: это, во-первых, разработка технологий лесосечных работ, соответствующих применяемым лесозаготовительным машинам и в то же время предусматривающих возможно минимальное нанесение повреждений лесным экосистемам; во-вторых, разработка новых лесозаготовительных машин, отвечающих требованиям лесозаготовительного производства и лесоводства, т.е. Таких, которые не снижали бы про9

дуктивность леса и его способность к возобновлению. Наиболее экономически эффективным признан первый путь, поскольку не представляется возможным создать серийный ряд машин для всех возможных природнопроизводственных условий. Вместе с тем, следует отметить, что рациональная компоновка системы машин позволяет лесопользователям оптимизировать не только эксплуатационные, но и экологические показатели своей деятельности. В это связи представляется целесообразным вкратце рассмотреть существующие и перспективные машины и оборудование для проведения основных лесосечных работ, поскольку без учета применяемого оборудования невозможно совершенствование технологии. Рациональный выбор системы машин для эффективного проведения лесосечных работ зависит, прежде всего, от принятого технологического процесса, а также от финансовых возможностей предприятия. Под системой машин понимается совокупность машин и оборудования различного функционального назначения, взаимоувязанных по техническим и технологическим параметрам и предназначенных для последовательного выполнения технологического процесса лесосечных работ [15]. Одной из наиболее эффективных форм организации работы систем машин являются комплексы (комплекты). Комплекс (комплект) формируется для эффективного функционирования системы машин в конкретных природно-производственных условиях и характеризуется видом и количеством машин каждого типа, последовательностью их расстановки, а также наличием и типом технологических связей между ними. В настоящее время отечественные и зарубежные производители предлагают лесозаготовительным предприятиям широкий спектр машин и механизмов для лесосечных работ. К основным требованиям, предъявляемым к указанной технике, можно отнести: соответствие параметров и конструкции машины назначению и условиям применения; обеспечение минимальной энергоемкости процессов выполнения технологических операций; обеспечение минимальных нагрузок, воспринимаемых машиной и технологическим оборудованием; минимальные масса и габаритные размеры конструкции; простота устройства, прочность и надежность конструкции; унификация и универсальность машин; износостойкость рабочих органов; минимальные затраты на обслуживание и ремонт. На валке деревьев при проведении рубок главного пользования и рубок ухода за лесом, как в нашей стране, так и за рубежом, часто используются бензиномоторные пилы (механизированная валка). По расчетам отечественных экономистов и технологов бензиномоторные пилы в ближайшие два десятилетия будут выгодны на лесозаготовках в РФ, как с эконо10

мической, так и с экологической точки зрения [16]. При механизированной заготовке леса могут использоваться как универсальные (с низким расположением рукоятей), так и специализированные (с высоким расположением рукоятей) бензиномоторные пилы. Следует отметить, что с точки зрения эргономики процесса предпочтительной представляется компоновка специализированных пил. Впервые такая компоновка бензиномоторной пилы, получившая название «Дружба», была представлена отечественными производителями на международной промышленной выставке в Брюсселе (1957 г.) И за оригинальность разработки завоевала большую золотую медаль. На сегодняшний день крупнейшим отечественным производителем бензиномоторных пил является Пермский ФГУП «Машиностроительный завод им. Ф.Э. Дзержинского» выпускающий наиболее известные отечественные марки специализированных (Дружба, Урал) и универсальных (Тайга, Крона) пил. Однако, известно, что пока большим спросом у потребителей пользуются пилы известных иностранных производителей, таких как Хускварна, Штиль и др., причем, сборка этих пил производится как за рубежом, так и в РФ, например ЗАО «Химки-Хускварна». Это во многом связано с несовершенством пильных аппаратов отечественных пил (и в особенности пильных цепей), а также слабой маркетинговой кампанией по продвижению на рынок новых модификаций отечественных пил. Известно, что основным способом повышения экономической эффективности проведения лесосечных работ является внедрение специализированных лесозаготовительных машин, способных выполнять валку деревьев и ряд смежных технологических операций. Все лесозаготовительные машины можно классифицировать по следующему ряду признаков: вид движителя - гусеничные, колесные, шагающие; число выполняемых технологических операций - одно и многооперационные; вид выполняемых технологических операций - валочные (ВМ), валочно-трелевочные (ВТМ), валочно-пакетирующие (ВПМ), валочно-сучкорезнораскряжевочные (ВСРМ), также называемые харвестерами, валочносучкорезные; валочно-сучкорезно-трелевочные (ВСТМ); сучкорезнораскряжевочные (МОСР), также называемые процессорами; по ширине обрабатываемой полосы лес - узкозахватные (без гидроманипулятора), широкозахватные (с гидроманипулятором); по направлению действия технологического оборудования - фланговые, фронтальные, полноповоротные. Первой серийной отечественной машиной появившейся на лесосечных работах и способной производить направленную валку деревьев была гусеничная, узкозахватная валочная машина флангового действия ВМ-4 (на базе трактора ТТ-4), производства Абаканского машиностроительного 11

завода. Эта машина, безусловно, позволяла облегчить труд лесозаготовителей, заменяя трудоемкую и травмоопасную операцию механизированной валки на машинную. Однако, она имела и целый ряд существенных недостатков: отсутствие гидроманипулятора (узкозахватность) приводили к тому, что при производстве работ машина была вынуждена подъезжать к каждому дереву, что делало практически невозможным сохранение подроста и увеличивало время рабочего цикла. В результате эксплуатации этих машин было выявлено, что вследствие небольшой энергоемкости процесса валки деревьев экономический эффект от применения валочных машин в чистом виде был крайне незначительным, а с учетом экологических последствий часто отрицательным. Эти машины не могли существенно повысить производительность труда, а себестоимость заготовки леса с их помощью значительно выше, чем при применении бензиномоторных пил. В настоящее время в РФ выпускается одна машина подобной компоновки универсальная малогабаритная валочная машина ВМ-55, предназначенная для срезания и направленного повала деревьев при проведении рубок леса, разработки просек при строительстве дорог, линий связи и электропередач, трасс нефте- и газопроводов, очистке территорий от лесной растительности. Опыт эксплуатации валочных машин показал, что, с точки зрения эксплуатационной эффективности, необходимо стремиться к возможно более полной загрузке двигателя путем совмещения машиной нескольких технологических операций [14]. До снятия машин ВМ-4 с серийного производства на ее базе была создана первая в СССР валочно-трелевочная машина ВМ-4А, в настоящее время ВМ-4Б. У самой концепции валочнотрелевочных машин имеется серьезное преимущество, связанное с отсутствием необходимости в специальной трелевочной технике при разработке лесосек, особенно в условиях низкой концентрации лесосечного фонда. Привлечение большого количества техники на разработку лесосек в этих условия нецелесообразно, в связи с большими затратами на частые перебазировки. В связи с такого рода преимуществами в дальнейшем отечественная машиностроительная промышленность освоила выпуск широкозахватных валочно-трелевочных машин ЛП-17 и ЛП-49, созданных соответственно на базе тракторов ТДТ-55А и ТТ-4. Как и базовые тракторы эти машины предназначены для работы в насаждениях со средним объемом хлыста соответственно до 0,4 м3 и более 0,4 м3.Сравнительно недавно на рынке появилась ВТМ ЛП-58, выпускаемая ООО Машиностроительный завод «Коммунар». Вместе с тем, практика применения машин подобной компоновки также показала [14], что если освободить ВТМ от операции по трелевке древесины и превратить ее, таким образом, в валочнопакетирующую машину, можно не только вдвое поднять ее производи12

тельность, но и удлинить срок службы режуще-валочных аппаратов, которые, в таком случае, не будут в течение полусмены перевозиться на транспортных скоростях, а будут полностью загружены по прямому назначению. Это подтвердило мнение о целесообразности, в большинстве случаев, отделения трелевки древесины в самостоятельную операцию. В настоящее время в РФ выпускается широкий ассортимент ВПМ, это известная машина ЛП-19 и ее модификации, ЛП60-01А, ТЛГ 3-12, МЛ135, МЛ-119А. Принцип компоновки этих машин позволяет достигать хороших показателей по производительности и эффективности лесосечных работ. Опыт эксплуатации современных ВПМ и исследования отечественных ученых [17] позволили установить, что основными путями их дальнейшего совершенствования и повышения производительности являются: введение накопителя в захватно-срезающее устройство и придание ему еще одной степени свободы относительно манипулятора; совершенствование системы автоматизации управления, позволяющее значительно разгрузить оператора и снизить его утомляемость. Лесозаготовительные предприятия, использующие на лесосечных работах ВПМ или ВТМ, обычно предпочитают технику отечественного производства, поскольку она не уступает по производительности лучшим зарубежным аналогам, при существенно меньшей цене, хотя и менее надежна в эксплуатации, что связано с устаревшими методами расчета конструкций, ограниченным сортаментом сталей и чугунов, а также несовершенством технологий используемых заводами изготовителями [17]. Придание ВПМ или ВТМ дополнительных функций, таких как обрезка сучьев и раскряжевка, усложняет конструкцию машины, повышает ее стоимость и целесообразно только при сортиментной технологии. Следует отметить зарубежный опыт по разработке и производству ВПМ (манипуляторных и безманипуляторных). Например, фирма «Джон Дир» (США) выпускает колесные безманипуляторные ВПМ фронтального типа, такие как 643G, 653 E, 843 G. Среди зарубежных ВПМ манипуляторного типа следует отметить машины фирмы «FMG Timberjack». Отличительной особенностью этих машин является наличие наклонного механизма для работы на склонах и накопителя деревьев. Сортиментная технология заготовки древесины имеет, пока, незначительный вес в мире. Производство сортиментов может осуществляться, как у пня, так и на верхнем складе, с использованием на рабочих операциях (валки, обрезки сучьев и раскряжевки) как бензиномоторных пил, так и специальных машин – харвестеров и процессоров. Следует отметить, что в настоящее время на долю указанных машин приходится достаточно малый процент от общего объема заготовки, как в мире в целом, так и в России. Это связано с очень высокой стоимостью таких машин и запасных частей к 13

ним, сложностью подбора квалифицированного персонала и малой пригодностью машин для природно-производственных условий большого числа регионов РФ. В этой связи отечественное лесное машиностроение никогда не было законодателем моды на такие машины, разрабатываемые, в основном в скандинавских странах. Основными фирмами - производителями машин для заготовки сортиментов являются скандинавские концерны «Раума» («Тимберджек»), «Партек Форест» («Валмет») и их филиалы. В зависимости от конструкции технологического оборудования харвестеры подразделяют на однозахватные и двухзахватные. В настоящее время наибольшее распространение имеют однозахватные харвестеры Валмет 901, 911, 921; Тимберджек 770, 870В, 1070, 1270 и их модификации. На сегодняшний день отечественные производители выпускают харвестеры: ЛП-19с харвестерной головкой SP-650, МЛ-152, МЛ-72, и др., а наиболее известным отечественным процессором является ЛО-120, выпускаемая на базе сучкорезной машины ЛП-30Г. Широкому распространению в РФ таких машин, при всех достоинствах сортиментной технологии, препятствуют их высокая стоимость и отсутствие квалифицированного персонала [16]. Для крупных лесозаготовительных предприятий, имеющих свои стационарные разделочные площадки, в большинстве случаев, более выгодна хлыстовая заготовка, позволяющая переносить раскряжевку на более производительное стационарное оборудование, осуществлять индивидуальный метод раскроя, повышая процент выхода деловой древесины, и более комплексно утилизовать заготовляемую фитомассу. Мелкие лесозаготовительные фирмы, не имеющие собственных разделочных площадок и торгующие древесиной «с колес», будут осуществлять заготовку сортиментов при помощи бензиномоторных пил, поскольку малые объемы и сезонность заготовки чрезвычайно удлинят срок окупаемости дорогих машин. По этим же причинам, представляется сомнительным широкое внедрение в отечественную практику лесосечных работ лесных комбайнов, совмещающих в себе функции харвестеров и форвардеров, так называемых харвардеров. Известно, что одной из наиболее трудо- и энергоемкой операцией лесосечных работ является трелевка, которая также имеет наиболее серьезные последствия для почвы лесосеки и условий лесовозобновления. Наиболее распространенной в настоящее время является тракторная трелевка пачек хлыстов или деревьев в полупогруженном положении, осуществляемая специальными трелевочными тракторами с канатно-чокерным или бесчокерным технологическим оборудованием. Трелевочные тракторы с пачковыми или клещевыми захватами осуществляют трелевку пачек деревьев или хлыстов в полуподвешенном положении. Тракторная трелевка 14

сортиментов осуществляется сортиментовозами (форвардерами) в полностью погруженном положении. Вопросам экологической и эксплуатационной эффективности использования трелевочных тракторов посвящено большое количество фундаментальных трудов, среди которых можно выделить работы проф. Анисимова Г.М. [18, 19] устанавливающие магистральные направления развития техники для этой важнейшей составляющей лесосечных работ. Отечественные производители выпускают большой ряд трелевочных тракторов: чокерные, это как наиболее известные ТДТ-55А, ТЛТ-100А, ТТ-4, ТТ-4М, так и недавно появившиеся МТ-5 и МЛ-138; бесчокерные ТБ-1, ТБ-1М-15, ЛП-18А, ЛП-18Д и МЛ-107; с пачковым захватом ЛТ154А, ЛТ-187, ЛТ-230, МЛ-136, МЛ-137, МЛ-56, ТЛК4-01; форвардеры ТБ-1-16, ЛТ-189, МЛ-72-01, МЛ-74, МЛ-104, МЛ-131, МЛ-142, ШЛК6-04, ТЛ-60Ф-4. Безусловно, каждая группа тракторов имеет как общие, так и специфические возможности совершенствования. В последнее время лесную технику начали выпускать предприятия ранее этим не занимавшиеся, в результате появляются машины, спроектированные без учета лесной специфики и не отвечающие производственным требованиям по эксплуатационной эффективности и экологической совместимости системы «машина – лесная среда». За рубежом выпускаются все виды трелевочных тракторов, из наиболее известных производителей можно выделить фирмы Катерпиллер, Валмет, Тимберджек, Понссе. Следует отметить, что зарубежные лесозаготовительные машины отличаются повышенной комфортностью управления. В последнее время, к сожалению, уделяется мало внимания технике для разработки труднодоступных лесосек, находящихся в пересеченной или заболоченной местности. Эта проблема весьма актуальна, поскольку в силу географических и экономических причин доля доступных для эксплуатации лесов не превышает 50% от общей площади покрытых лесной растительностью земель РФ. В первую очередь это касается специальных средств первичного транспорта леса, таких как канатные трелевочные установки и средства для воздушной трелевки. Отечественная промышленность выпускает самоходные канатные трелевочные установки МЛ-139 и МЛ-43А, из зарубежных производителей следует отметить фирму «Larix». Перспективной представляется разрабатываемая в РФ технология трелевки древесины, основанная на применении аэростатов. Традиционно, отечественное лесное машиностроение удовлетворяло запросы лесозаготовителей в части надежных и эффективных сучкорезных машин и погрузчиков. В настоящее время на отечественном рынке представлены машины марок ЛП-30Г, ЛП-33А, ЛП-33Б с качающейся поворот15

ной стрелой, и сравнительно новые машины с гусеничным или вальцовым протаскивающим механизмом постоянного действия и подающим гидроманипулятором – СМ-33 и ЛП-51, на базе этих машин несложно организовать выпуск процессоров, если на них появится повышенный спрос, примером такой модернизации является ЛО-120 производства Сыктывкарского машиностроительного завода. Погрузка хлыстов на лесовозный транспорт в большинстве случаев производится при помощи погрузчиков перекидного типа, которые представлены следующими моделями: ЛТ-188, ЛТ-65Б, ПЛ-1Г и ПЛ-1В, перспективным представляется использование, в определенных случаях, сменных погрузочных рабочих органов грейферного типа к ВПМ. Погрузка сортиментов обычно осуществляется методом самопогрузки лесовозами с гидроманипуляторами, иногда таким же образом производится и погрузка хлыстов. 1.2 Воздействие техники и технологии на лесную среду и пути повышения экологичности проведения основных работ Известно, что лес является источником многих полезностей, основными из которых является древесина, фитомасса ассимиляционного аппарата деревьев, а также экологическая составляющая лесов. Для заготовки древесины и ассимиляционного аппарата лес подвергают рубкам, которые подразделяются на рубки главного пользования и рубки ухода за лесом [20]. Основной задачей первых, проводимых в спелом лесу, является заготовка древесины, вторых, проводимых в неспелом лесу, – улучшение породного и качественного состава будущего леса. Заготавливаемая при всех видах рубок древесина является одним из немногих возобновляемых видов природных ресурсов, представляющих ценнейшее сырье для многих видов промышленности и находящих практически неограниченный рынок сбыта, как в нашей стране, так и за рубежом. Последнее обстоятельство позволяет привлекать в Российскую Федерацию необходимые валютные ресурсы, в количествах хотя и меньших, нежели от экспорта нефти и газа, но, при грамотном пользовании лесом, не ограниченных во временной перспективе. Для спасения варварски вырубаемых тропических лесов, международным сообществом введена сертификация импортируемой из этого региона древесины. Задача выдаваемого международной комиссией сертификата – удостоверить потребителя, что купленная им древесина заготовлена без нанесения чрезмерного вреда окружающей среде и, в особенности, лесам. 16

Основным требованием, предъявляемым к лесопользованию является его неистощительность, а в перспективе и обязательное способствование расширенному воспроизводству лесных ресурсов – процессу непрерывного расширения производительной способности лесных биогеоценозов, задачей которого является получение через оборот рубки двух кубометров древесины там, где раньше был взят один. То есть, можно обоснованно говорить о том, что эффективность технологического процесса рубок главного пользования лесом заключается не только в сиюминутных экономических выгодах от заготовки и реализации древесины, но и в сокращении оборота рубки хозяйственно ценных древесных пород, а также поддержании прочих полезностей леса [21]. В связи с переходом на международные стандарты ведения лесного хозяйства возникают новые требования к поддержанию экологических ценностей леса. Выполнение этих требований является обязательным для лесозаготовительных предприятий собирающихся проходить процедуру получения сертификата добровольной лесной сертификации. Сложная, многообразная проблема взаимодействия лесозаготовительной техники и технологии ее работы с лесной средой изучалась большой плеядой отечественных и зарубежных ученых. Априори можно утверждать, что изучаемая проблема может быть разделена на две основные составляющие: воздействие на лесные почвогрунты и воздействие на оставляемые и будущие биотические компоненты насаждения. 1.2.1 Воздействие лесозаготовительной техники и технологии на лесные почвогрунты Почва - это гетерогенная многофазная дисперсная система с определенными верхней (как правило, - это дневная поверхность) и нижней (на границе с подстилающей породой) границами, обладающая свойствами аккумулировать и выделять, проводить и трансформировать вещества и энергию [2, c. 1044]. Важнейшим свойством почвы для биосферы всей планеты является ее плодородие – совокупность свойств почвы (содержание гумуса, доступных для растений питательных веществ, влаги и др.) обеспечивающая рост и развитие растений. Различают потенциальное (естественное) и искусственное плодородие (приобретенное после воздействия человека) [2, c. 1011]. Понятно, что для лесной среды, являющейся самой производительной на планете биологической системой [22], почвенное плодородие является первостепенным фактором, влияющим на успешность ее развития, как в пространстве, так и во времени. Одним из основных факторов, влияющих на почвенное плодородие являются физические свойства почвы [23, 24]. Физические свойства почвы 17

разделяются на основные (плотность, пористость, пластичность, липкость, связность, твердость, спелость) и функциональные (водные, воздушные и тепловые) [25, 26]. К последним относят способность поглощать (впитывать) выпадающие осадки или оросительную воду, пропускать, сохранять или удерживать ее, подавать из глубоких горизонтов к поверхности, снабжать ею растения и т.д. Вода значительно изменяет физические, химические, тепловые и воздушные свойства почвы. Физические свойства почвы, тесно связанные с другими ее свойствами, изменяются в соответствии с ходом почвообразования, а с изменением свойств изменяется и почвообразование [27, 28]. Авторами [103] установлено, что после сплошной рубки леса происходят три различных вида уплотнений: физическое, вторичное и экологическое. Первые два вида уплотнения почвы происходят в колее. Физическое уплотнение – одномоментное, происходит во время непосредственного воздействия машин. Оно распространяется на глубину до 40…50 см и в стороны от волока до 20…40 см. Вторичное уплотнение происходит в колее в течение длительного (1416 лет) периода, а естественное разуплотнение почв в колее длиться около 50 лет. Экологическое уплотнение происходит в пасеке. Оно связано с удалением лесного полога, и не зависит от технологии заготовки и машин. Период разуплотнения почв в пасеке длится 25…30 лет. Понятно, что помимо параметров техники на состояние почвы лесосеки после проведения основных работ огромное влияние оказывает и технология рубок главного пользования. Причем для условий РФ в настоящее время и в ближайшем будущем это будут именно сплошные рубки. Санкт-Петербургским НИИ лесного хозяйства исследовалась пригодность почв на участках проведения рубки по разным технологиям для прорастания семян. Было выделено четыре категории площадей: хорошая, удовлетворительная, неудовлетворительная и непригодная. При этом основное внимание уделялось степени и состоянию минерализации площади после проведения рубки. Распределение пригодности площадей для прорастания семян по технологиям проведения рубок представлено в таблице 1.2

18

Таблица 1.2 Распределение площадей по степени пригодности для всхожести семян, % Технология разУдовлетвоНеудовлеНеприХорошая работки лесосек рительная творительная годная Костромская 10,5 10,0 21,5 58,0 Удмуртская 10,5 4,5 9,0 76,0 Карельская 8,0 4,0 9,5 78,5 Крестецкая 37,0 34,0 10,0 19,0 Тагильская 9,0 4,0 4,0 83,0 На рисунке 1.1 представлены технологические схемы разработки лесосек.

Костромская Удмуртская Карельская Тагильская Рис.1.1 Технологические схемы разработки лесосек Пятая делянка разрабатывалась традиционным методом – без сохранения подроста. Трелевка осуществлялась как за комли, так и за вершины. Все бригады, кроме крестецкой, очистку лесосек от порубочных остатков производили в ручную. В крестецкой бригаде была использована механизированная очистка с помощью подборщика сучьев. За 35 лет, прошедших с момента проведения рубок, на волоках создались благоприятные условия для прорастания семян, т.е. почва на волоках разуплотнилась. Этот вывод базируется на успешном возобновлении ели, наблюдаемом на всех волоках вне зависимости от технологии проведения рубки. Однако следует отметить, что при технологии без сохранения подроста (крестецкий метод) наблюдается значительное количество жизнеспособного подроста сосны, а тагильская технология заметно повлияла на относительную полноту, а следовательно и на средний запас, которые равны соответственно 1,0 и 266 м3/га. [104]. 19

Суммарный объем пор между частицами твердой фазы (объем всех промежутков), выраженный отношением объема пор к объему почвы называется пористостью, или скважностью. В отличии от пористого сложения почвы или от пористости горных пород или других тел, скважность почвы нередко называют порозностью [24]. Размер пор, форма и сочетание их весьма разнообразны, так как они являются производными от случайного расположения полидисперсных частиц механического состава – элементарных почвенных частиц, микроагрегатов и структурных отдельностей, крайне различных по размерам, форме и характеру их поверхностей. Эти промежутки по форме и размерам сильно изменяются во времени в зависимости от происходящих в почве физико-механических и биологических процессов, вследствие частичной или полной закупорки некоторые поры исчезают, другие возникают вновь. В почвах возможна уплотненная укладка, если промежутки первого порядка будут заняты частицами или агрегатами, диаметр которых отвечает размерам пор. Эта уплотненна укладка (Рис. 1.2), как и разуплотнение, происходят, в том числе, и под влиянием движителей лесозаготовительных машин и персонала. а.

б.

Рис. 1.2 Схема изменения плотности упаковки: а – увеличение плотности; б – уменьшение плотности. Структурный состав почвы сельскохозяйственных угодий характеризуется коэффициентом структурности (%) [29]: количество средних (от 0,25 до 7 - 10 мм) макроагрегатов К= сумма мелких (< 0.25 мм) и крупных (> 7 - 10 мм) макроагрег атов Установлено, что чем больше К, тем лучше структура почвы. Избыток мелких и крупных макроагрегатов ухудшает условия роста растений. Чем мельче фракция, тем больше возможности для образования корки, и тем больше почва склонна к ветровой и водной эрозии. При исследовании 20

эрозии почв установлено, что комочки почвы размерами менее 1 мм являются эрозионно неустойчивыми. Корневая система растений является фактором повышения коэффициента структурности К, корни пронизывают почву во всех направлениях густой сетью, и в ней не остается ни одного комочка, к которому бы не подходил корешок или корневой волосок [29]. Наиболее обширные исследования антропогенного воздействия на почвы проведены исследователями сельскохозяйственного производства. В первую очередь здесь следует отметить фундаментальные труды выдающегося русского ученого Василия Прохоровича Горячкина, который разработал научные основы взаимодействия рабочих органов различных сельскохозяйственных машин с почвой и посвятил этой крупнейшей проблеме многочисленные фундаментальные труды, например «Теория резания почвы». Труды В.П. Горячкина являются основой развития теории лесохозяйственных и лесосечных машин [30, 31]. В монографии И.П. Ксеневича и др. [29, c. 16] отмечается, что плотность почвы является ее основной, наиболее существенной характеристикой, от которой зависит весь комплекс физических условий в почве: водный, воздушный и тепловой режимы, а, следовательно, условия биологической деятельности. В.А. Русанов [32, c. 12] считает плотность почвы в известной степени интегральным показателем ее физического состояния, в связи с чем в реальных исследованиях устанавливается оптимальная величина плотности, при которой получают наибольший урожай данной культуры при прочих равных условиях. В математические модели уплотнения почвы движителями мобильных машин вводятся плотность почвы естественного сложения или равновесная плотность [29, 19]. В табл. 1.3 приведены значения плотности естественного сложения и оптимальной плотности. Таблица 1.3 Равновесная и оптимальная плотность для различных почв Плотность, г/см3 Почва и ее механический состав Оптимальная для Равновесная зерновых культур Дерново-подзолистая 1,30…1,40 1,20…1,35 Супесчаная 1,35…1,50 1,10…1,30 Суглинистая 1,40…1,50 1,10…1,25 1,20…1,40 Дерново-карбонатная суглинистая 1,40 1,15…1,25 Дерново-глеевая суглинистая 1,40 1,10…1,30 Серая лесная тяжелосуглинистая 1,20…1,45 1,20…1,40 Каштановая суглинистая 1,50…1,60

21

В.А. Русанов приводит равновесную оптимальную плотность почвы (см. табл. 1.4), значения которой несколько отличаются от данных табл. 1.3. Таблица 1.4 Данные оптимальной плотности почвы по В.А. Русанову Почва Механический соПлотность почвы, г/см3 став Равновесная Оптимальная для зерновых ДерновоПесчаная связанная 1,50-1,60 1,20-1,35 подзолистая То же Суглинистая 1,35-1,50 1,10-1,30 Дерново-глеевая Суглинистая 1,40-1,45 1,20-1,40 Серая лесная Тяжелосуглинистая 1,40-1,45 1,15-1,25 Опубликованы работы по определению максимальной плотности почвы, при которой еще возможно возобновление определенной породы. Например, плотность дерново-подзолистой сухой суглинистой почвы 1,57-1,65 г/см3 относятся к сильно уплотненным, где еще возможны возобновление и рост ели, с плотностью 1,65-1,7 г/см3 и более - к переуплотненным, где рост уже практически невозможен. Последний показатель принимается в качестве порогового значения для ели. При этом следует учесть, что пороговая плотность для других пород, например березы и осины, будут значительно выше, чем и объясняется отчасти появление вначале пород пионеров, пород – мелиораторов. В работе [32] обобщены результаты определения оптимальной плотности для различных сельскохозяйственных культур многочисленными учеными, некоторые из них приведены в табл. 1.5. Таблица 1.5 Оптимальная плотность почвы для различных сельскохозяйственных культур Почва Оптимальная Характеристика плотность, условий 3 г/см Кукуруза Дерново-подзолистая супесчаная 1,10-1,45 Поле Дерново-карбонатная пылевато1,20-1,30 В дренах суглинистая Пшеница Тяжелосуглинистый выщелоченный 1,10-1,30 Поле чернозем Дерново-подзолистая глееватая – 1,10-1,30 В сосудах легко суглинистая 22

Отметим однако, что в отличие от хорошо систематизированных и многократно проверенных данных о значениях оптимальной плотности различных видов почвы для наиболее распространенных сельскохозяйственных культур, данные же для древесных пород на различных почвах разрознены и часто существенно отличаются друг от друга, что связано, по видимому, с большим разнообразием природно-производственных условий исследований данного вопроса. Ученые лесоводы считают [33], что наиболее важным для последующего естественного лесовозобновления является состояние верхнего слоя почвы, толщиной 10-20 см. Причем плотность в пределах, 0,8-1,0 г/см3 названа – рыхлой; плотность 1,0-1,4 г/см3 – оптимальной; плотность 1,5-1,7 г/см3 - высокой. Из трудов ученых лесоводов известно, что после воздействия лесозаготовительной техники на лесные почвогрунты они могут быть подразделены на улучшенные, ухудшенные и малоизмененные [34, 41]. В свете работы [33] и данных других авторов можно предположить, что к улучшенной будет относиться почва с плотностью 1,0-1,4 г/см3 (оптимальной), к малоизмененной – с плотностью 0,8-1,0 г/см3 (рыхлой), а к ухудшенной – с плотностью 1,5-1,7 г/см3 и более (высокой). Серьезное изучение воздействия лесозаготовительных машин на почву началось сравнительно недавно, с внедрением агрегатной техники, в 1972 г была опубликована статья Л.Н.Рожина и М.Н. Григорьева [35] о воздействии ВТМ-4 при сплошных рубках в ельниках кисличниках Московского леспромхоза Калининской области. По степени воздействия почва подразделялась на 4 зоны (0 - ранений почвы нет): 1- зона без образования колеи, 2 - колеи глубиной до 10 см и следы от разворотов машин, 3колеи больней глубины, 4 - скопление порубочных остатков. Полученные данные авторы сопоставили с результатами воздействия других машин (табл. 1.6). Принимая зоны 1 и 2 за полезное воздействие для последующего возобновления хвойных пород, Рожин и Григорьев сделали вывод о достоинстве ВТМ-4 по сравнению с ТДТ-75. Эта "полезность" вызывала сомнение в ученых кругах т.к. не была проверена всхожестыо семян или ростом саженцев. Однако последующими исследованиями доказана возможность улучшения почвы под воздействием движителей лесозаготовительных машин, например, в [6, стр. 9] отмечается, что увеличение процента минерализации почвы, хотя и приводит к уменьшению сохранности подроста, но препятствует задернению почвы и способствует образованию большого количества самосева, т.е. способствует успешному последующему естественному лесовозобновлению. Материалы данной работы показывают, что 23

вырубки зимней разработки подвергаются задернению сильнее и быстрее, чем летней. Также установлено, что вырубки зимней заготовки самостоятельно возобновляются на 3…5 лет позже, особенно на плодородных почвах. Таблица 1.6 Распределение площади лесосеки по категориям повреждений почвы (%) различными машинами ТДТ-75 ВТМ-4 с ВТМ-4 с Зоны ВТМ-4 За комли Узкопасеный К-703 ПГС-3 метод 0 1 2,5 24 58 1 44 64 48 19 2 21 26 80 13 7 3 27 6 11 6 11 4 4 1,5 9 9 5 Такие данные имеются в работе В.Н. Данилина [34], написанной по результатам сравнительной оценки почвы в контроле и после сплошной рубки по "узкопасечной" технологии с использованием ТТ-4 и при бессистемной трелевке ЛП-18 пакетов, заготовленных ЛП-19. На организованной лесосеке почва была повреждена на волоках, занимающих 16-22% площади. Плотность почвы по сравнению с контролем (550 кг/м3) увеличилась на 40%, а в последнем варианте в 2,5 раза (1350 кг/м3). Скважность составила соответственно 76,2; 69,4 и 49,2%, водопроницаемость - 25,0; 23,2 и 0,13 мм/мин. Изучение воздействия машин ЛП-19 в комплексе с трелевочными тракторами при сплошнолесосечных рубках на природную среду изучалось также в Крестецком ЛПХ Новгородской обл. и в Советском лесокомбинате (Тюменская обл.) В Крестецком леспромхозе объектам изучения были ельник - черничник и ельник -зеленомошник, в Советском лесокомбинате - сосняк бруснично-багульниковый. В ельнике - черничнике почвы дерново-сильно-подзолистые суглинистые. В процессе работы машина ЛП-19 укладывала деревья в пачки на будущем волоке (1 технология), под углом к волоку (2 технология) и комбинированно, т.е. на волок и под углом к нему (3 технология). Трелевка пачек производилась трактором ТБ-1. Пораненная поверхность почвы без учёта погрузочных площадок при первой технология составила 35,5% и при второй -77,5%. Сильно пораненная поверхность почвы была под волоками и размеры её составили 21-24% независимо от технологии [36]. В ельнике зеленомошном с дерновоподзолистой супесчаной почвой разработка лесосеки производилась по второй технологии с применением 24

трелевочных тракторов ЛП-18А и ТТ-4. После работы ЛП-19 поранение гусеницами наблюдалось на 10,2% площади лесосеки, на которой плотность почвы на глубине 0-20 см слабо изменилась. После трелевки леса как с применением трактора ЛП-18А, так и ТТ-4 поранения почвы наблюдались почти на 80% площади лесосеки, причем сильно пораненная поверхность составила после трелевки трактором ЛП-18А – 44%, ТТ-4 – 32,8%. Увеличение плотности почва наблюдалось на 20-30% в зоне сильно измененной поверхности. Существенных различий в изменении состояния поверхности почвы и плотности после работы трактора ЛП-18 и ТТ-4 не происходит. Наибольшая поверхность почвы с сильным поранением, а следовательно, с большей плотностью верхнего слоя, встречается на площади лесосеки, прилегающей к погрузочной площадке(72,7-72,9%) и наименьшая в дальней части лесосеки (11,1-22,1%). В ельнике зеленомошном с дерновоподзолистой суглинистой почвой разработка лесосеки производилась также по второй технологии, но с применением трелевочных тракторов ТТ-4 и "Кларк". Почва после работы ЛП19 поранена гусеницами на 12% площади. Изменения состояния почвы после трелевки больше в данном типе леса, чем в предыдущем. Автор работы [36] отмечает наибольшие изменения поверхности почвы после работы трактора "Кларк". К сожалению цифровые показатели в работе не приводятся. В сосняке бруснично-багульниковом с подзолистой супесчаной свежей почвой разработка лесосеки проводилась по 2 технологии. Почва после работы ЛП-19 поранена гусеницами на 95% площади лесосеки. Плотность почвы на этой площади на глубине 0-15 см увеличилась на 22-26% и на глубине 15-20 см на 10%. Пачки трелевали трактором ЛТ-154 (гусеничный) и ЛТ-157 (колесный). После трактора ЛТ-154 пораненная площадь составляет 84,2% без погрузочной площадки, в том числе сильно измененная поверхность - 38,6% (т.е. в тех же пределах, что и для гусеничных тракторов ЛП-18А и ТТ-4). Уплотнение почвы, в зоне сильного изменения поверхности, на глубине 0-10 см увеличилась на 25-36% и на глубине 1020 см на 18-20%. После трелевки трактором ЛТ-157 верхний слой почвы уплотняется сильнее, чем после ЛТ-154. Автор работы [36] делает вывод, что наименьшие поранения поверхности почвы при использовании машины ЛП-19 и трелевочных тракторов разных типов наблюдаются при первой технологии (с укладкой деревьев на волок). Как показали исследования [37] на свежих вырубках в пределах одного и того же типа состояние и физические свойства верхних горизонтов почвы в различные сезоны лесозаготовок неодинаковы. Площадь вырубок с той или иной степенью поранения почвы при летних заготовках ВТМ-4 25

на месте ельника-кисличника составила 89%, а при весенних лесозаготовках – 98%. В то же время, в местах лесозаготовок с применением на трелевке трактора ТТ-4 пораненная площадь составила 75%. [36]. Площадь со слабым поранением почвы занимает 50% (ВТМ-4) и 33% (ТТ-4). Площадь со средним и сильным поранением почвы при использовании этих машин получается почти одинаковой. Физические свойства почвы после заготовок с применением ВТМ-4 и ТТ-4 изменяются примерно на таких же площадях в одинаковой степени. На вырубках летних заготовок с применением ВТМ-4 плотность верхнего минерального слоя почвы (на глубине 0-5 см) на 81% площади составляв 630-680 кг/м3, а на 10% площади 860-880 кг/м3 и общая порозность соответственно 71-76% и 65-67%. На вырубках потенциально вейникового типа весенних лесозаготовок по сравнению с летними плотность верхнего минерального горизонта на значительной площади (более 70%) была на 150-200 кг/м3 выше, а общая порозность на 5-12% ниже. В работе [36] отмечается, что после весенних лесозаготовок машиной ВТМ-4 площадь повреждения поверхности почвы значительно больше, чем после трелевки трактором ТДТ-75. Физические свойства и кислотность верхних горизонтов почвы А1 и А2 на вырубках после применения ВТМ-4 и ТТ-4 (ТДТ-75, ТДТ-5) в пределах одного типа существенных различий не имеют. Это же относится и к степени проективного покрытия почвы живым напочвенным покровом, степени задернения почвы и мощности в пределах одного типа вырубок. Изменение этих показателей, по мнению автора работы, определяется, прежде всего, типом вырубок. С увеличением давности рубок и усилением задернения поверхности почвы диапазон изменений физических свойств почвы уменьшается. На вейниковых вырубках 5-7 летней давности разных сезонов лесозаготовок в изменениях лесорастительных условий существенных различий нет. На этих вырубках наблюдается сильное задернение почвы (толщина 5-6 см), проективное покрытие живым напочвенным покровом – 80%. высота вейника лесного - 80-90 см, плотность верхнего минерального горизонта почвы - 1130 – 1180 кг/м3, общая порозность - 49-52%. Экологические условия для последующего возобновления хвойных пород на вейниковых вырубках неудовлетворительные. На вырубках вейниково-осокового типа лесорастительные условия для последующего возобновления хвойных пород по сравнению с вейниковыми более неблагоприятные. В первое десятилетие ход и характер естественного возобновления лиственных пород на вырубках определяется прежде всего их типом. Существенных различий в возобновлении лиственных пород в пределах од26

ного типа вырубок как после работы машин ВТМ-4, так и тракторов ТТ-4, ТДТ-55, не наблюдается [38]. Изучение воздействия машины ЛП-17 при сплошнолесосечных рубках на природную среду изучалось в Оленинском леспромхозе (Тверская обл.). Объектом изучения были ельники-кисличники с дерновосреднеподзолистой суглинистой почвой. Влажность верхних горизонтов в момент разработки довольно высокая. Результаты исследований показали, что при работе машины в валочно-трелевочном режиме, площадь без поранения почвы после разработки составляет 19-21% территории вырубок. Значительные изменения физических свойств верхнего (0-5 см) слоя почвы произошли почти на половине площади вырубок. Плотность на 47-49% площади составила 1020 - 1160 кг/м3, а общая порозность 53,8 - 56,7%. В целом в процессе рубки древостоя машина ЛП-17 оказывает на физические свойства почвы примерно такое же влияние, как машина ВТМ-4 и трактор ТДТ-75 [36, 38]. Ликвидация растительности при рубках и минерализация верхних горизонтов почвенного профиля приводит к образованию поверхностного стока и может вызывать линейную эрозию. Увеличение поверхностного стока на вырубках отмечено многими исследователями. Формирование поверхностного стока на вырубках может привести к полному уничтожению плодородного (гумусового) слоя почвы, восстановление которого требует очень длительного периода [39]. Образование поверхностного стока на вырубках обуславливает концентрацию влаги в пониженных частях рельефа, что может привести к заболачиванию. Заболачивание вырубок-явление распространенное в районах Северо-Запада с избыточным увлажнением. Если на вырубке растительность уничтожается полностью, и практически полностью происходит минерализация верхних горизонтов почвы, явление заболачивания проявляется в большей степени [40]. Понятно, что на процент площади степень повреждения почвогрунта лесосеки, помимо технологии работ, огромное влияние оказывают технико-эксплуатационные параметры лесозаготовительных машин, в частности трелевочных тракторов. Следует отметить огромный вклад отечественных ученых в решение как отдельных технических задач, по уменьшению воздействия техники на почву, путем оптимизации отдельных конструктивных параметров машин [42, 43, 44, 138] и технологии их работы [45, 46, 11, 137], так и фундаментальные труды крупнейших отечественных исследователей проблемы повышения эффективности лесозаготовительного производства. К фундаментальным исследованиям следует отнести те труды, которые обеспечивают в перспективе оптимизацию технологических процессов 27

в лесозаготовительной промышленности, включая: технологию лесосечных работ, транспортное освоение лесных массивов и экологическую эффективность функционирования систем [47-49]. Если рассматривать фундаментальность исследования как исследование обеспечивающее в перспективе высокую эффективность любого производства, то к научным фундаментальным трудам можно отнести исследования по управлению лесозаготовительного производства и технической эксплуатации машин и оборудования, участвующих в производстве. К таким исследованиям следует отнести труды докторов технических наук Андреева В.Н., Герасимова Ю.Ю., Анисимова Г.М., Большакова Б.М., Мазуркина Б.М., Ильина Б.А., Семенова М.Ф. [50-57]. В отдельную группу исследований следует выделить труды по оценке влияния потенциальных свойств лесосечных машин и оборудования на технологию работ и эффективность производства. Кроме перечисленных выше трудов ученых к этой группе исследований следует отнести труды докторов технических наук Александрова В.А., Багина Ю.И., Бартеньева И.М., Петровского В.С., Коробова В.В., Котикова В.М., Смирнова Ю.Д., Кочнева А.М. и др. [58-68]. Наиболее существенный вклад в проблему изучения влияния движителей лесных машин на почвогрунты лесосек внесен учеными СПб ГЛТА им. С.М. Кирова, в частности учеными научной школы д.т.н., проф. Анисимова Г.М. 1.2.2 Воздействие техники и технологии лесосечных работ на биологическое разнообразие лесной среды Данный параграф работы может быть логически разбит на два основных компонента – это обеспечение сохранности хозяйственно ценных (главных) древесных пород и сохранение местообитания недревесных лесных организмов. 1.2.2.1 Сохранение подроста Большое число исследований проведено по технологической и экологической оценке вновь создаваемых отечественных лесосечных машин [97, 98, 99] и внедряемых зарубежных [98 – 101, 140]. При технологической оценке исследуются годовая выработка на списочную машину в различных производственных условиях, стоимость машины и различные удельные затраты [98, 99]. Исследования скандинавской техники и технологии в основном ограничивается сохранением подроста в различных почвенно-производственных условиях [100, 101, 102]. Результаты исследований по сохранению подроста хозяйственноценных пород при работе агрегатных машин приведены в работах [36, 38, 81, 82, 83]. Объектами исследований были лесосеки, разработанные, валочно – трелевочными машинами ВТМ-4, ЛП-17 и валочно - пакетирущи28

ми машинами ЛП-19, работавшими в комплексе с трелевочными тракторами ТБ-1, ЛП-18А, ЛТ-154, ЛТ-157 и "Кларк". Технологический процесс лесосечных работ с применением перечисленных машин заключался в следующем. При разработке лесосек валочно-трелевочными машинами ВТМ-4 и ЛП-17 последние производили срезание деревьев, укладку их в пакетирующие устройство машины и трелевку пачек деревьев к погрузочному пункту. Схема разработки лесосеки - самая распространенная для этих машин - петлевая. При этой схеме машина перемещается в процессе работы по всей площади лесосеки. При разработке лесосек валочно-пакетирующими машинами ЛП- 19 они производили срезание деревьев и укладку их в пачки. Трелевка пачек осуществлялась перечисленными выше тракторами. Схемы разработки лесосек были различные. По первой схеме (1 технология) срезанные деревья укладывались на проход машины - будущий трелевочный волок. Таким образом, крона дерева в основном находилась на трелевочном волоке. После разработки каждой пасеки машина по объездному волоку возвращалась в дальний конец очередной пасеки, делая холостой ход. Трелевка пачек деревьев производилась на один погрузочный пункт. По второй схеме (2 технология) срезанные деревья укладывались на землю под углом 30-50° к волоку, чтобы волок был свободен для прохода трелевочного трактора. В результате вся крона деревьев находилась на полупасеке и накрывала имеющийся подрост. Машина двигалась челночным способом. При движении машины от погрузочного пункта деревья укладывались в пачки сбоку и впереди, а при движении к пункту - сзади и сбоку машины. При этой технологии движение трелевочного трактора строго по волокам не выдерживалось. По третьей схеме (3 технология) при разработке одной пасеки срезанные деревья укладывались на волок (как по 1 технологии), а при разработке второй пасеки - на полупасеку под углом к волоку (как по 2 технологии). Таким образом получалась комбинированная схема. В этой схеме, как и во второй, надобность в объездном волоке отпадает и холостые проходы машины значительно сокращайся. Трелевка пачек производилась на один погрузочный пункт. Своеобразным вариантом была схема с двумя погрузочными пунктами, расположенными по противоположным сторонам лесосеки. В этом варианте при разработке пасек срезанные деревья укладывались на волок. Направление комлей пачек в соседних пасеках различное, так как машина, после разработки пасеки разворачивалась на соседнюю и двигалась в обратном направлении. В этом случае надобность в объездном волоке отпала. 29

Как показали исследования [36, 38, 81, 82, 83] валочно-трелевочная машина ВТМ-4 оказывает существенное воздействие на предварительное возобновление леса. Так при наличии жизнеспособного подроста ели под пологом леса около 5 тыс.шт/га с высотой 0,9-1,5 м, после разработки лесосеки осталось не более 10%, из которых более 50% повреждено. Практически весь подрост уничтожается. При разработке лесосеки машиной ЛП-17, независимо от того, в каком технологическом режиме она работает, также сохраняется не более 10% подроста ели. Таким образом ВТМ-4 и ЛП-17 не способны сохранять достаточного количества подроста для надежного восстановления леса на вырубках, если оно основывается только на предварительном возобновлении. При разработке лесосек в Крестецком леспромхозе агрегатными машинами и тракторами ТБ-1 елового подроста сохранилось от 18 до 65% летом в том числе неповрежденного - от 10 до 57,2% и от 28 до 50% - зимой. [36]. Осторожное извлечение деревьев из пасек с подростом машиной ЛП-19 и при трелевке трактором ТБ-1 только по волокам способствует большему сохранению подроста, но ведет к снижению производительности на 10-18%. Разработка лесосеки производилась по схеме с перпендикулярным расположением пасек (лент) к лесовозному усу. Ширина разрабатываемой ленты составила 14 м, волока 4-4,5 м. После валки деревьев сохранилось (без учета погрузочный площадок) 63-86% подроста ели, а после трелевки 16-50% (меньше во влажных типах леса, так как трактор ТБ-1 из-за избыточного увлажнения чаще выезжал за пределы волока). Изучение воздействия валочно-пакетирующей машины ЛП-19 на подрост проводилось на лесосеках, указанных выше. После рубки ельникачерничника с использованием ЛП-19 и ТБ-1, при исходном количестве подроста от 5,5 до 6,8 тыс.шт/га, сохранилось при работе по 1 технологии (с укладкой деревьев на волок) - 60,2%, по 2 технологии (с укладкой деревьев под углом к волоку) - 7,9% и по 3 технологии (комбинированной) 36,1%, в том числе неповрежденного подроста соответственно 54,7; 3,4 и 27,9%. Средняя ширина пасек составила 14,5 м, 11,8 м и 14,2 м, а ширина волоков 4,2, 5,8 и 4,5 м. Основной процент повреждаемости приходится на трелевку. Автором работы [36] установлено, что по мере удаления от волока к центру ленты процент сохранности подроста увеличивается почти до 100%. Это заметнее при 1 технологии. На полосе, примыкающей к волоку, процент сохранности подроста низкий, что объясняется воздействием на подрост высотой более 1,2 м корпуса (противовеса) машины ЛП-19 при его развороте во время выноса срезанных деревьев на волок, так как корпус выступает в сторону от края гусеницы на 1,7 м. На этой же полосе

30

часть подроста всех высот уничтожается кронами трелюемых деревьев и при поворотах манипулятора на минимальном его вылете. Результаты работы показали, что машина ЛП-19 одинаково воздействует на подрост по мере удаления от погрузочной площадки к дальнему концу лесосеки. Однако после трелевки трактором ТБ-1 сохранилось ближе к площадке 40,8%, в средней части лесосеки 64% и в дальней части 70,2%. После рубки в сосняке-багульниковом с использованием ЛП-19 и тракторов ЛТ-157 и ЛТ-154 в Советском лесокомбинате были получены следующие результаты. При работе по 2 технологии (с укладкой деревьев под углом к волоку) площадь занимаемая пачками деревьев, составила 43,5% площади лесосеки без учета погрузочной площадки. После трелевки печек трактором ЛТ-154 на этой лесосеке сохранилось 4,2% подроста хвойных пород. При работе по 1 технологии (с укладкой деревьев на волок) площадь занимаемая пачками деревьев составила 18,3% площади лесосеки (без погрузочных площадок). После работы машины ЛП-19 сохранилось 73,5% подроста, в том числе 70,6% неповрежденного. Ширина разработанной ленты составила 14,8 м, а волока - 3,2 м. После трелевки сохранилось 68,2% подроста, в том числе 61,2% неповрежденного, на лентах без волоков соответственно 87 и 78%. С учетом погрузочных площадок сохранилось 58% подроста. Площадь погрузочных площадок равнялась 1,8 га (15% площади всей лесосеки). Автором работы [36] отмечается также, что при разработке лесосек в зимний период сохраняется 63-70% подроста, а с учетом погрузочных площадок 52-59%. Площадь двух погрузочных площадок занимала 0,700,77 га (15-12% территории лесосеки). Для сопоставления приведем данные того же автора [36] о сохранности подроста при разработке лесосеки бензиномоторной пилой и трактором тб-1 (Крестецкий леспромхоз). При валке деревьев с полупасек вершиной к волоку, с предварительной обрезкой вершин и крупных сучьев, после трелевки ТБ-1 сохранилось 52,2% подроста, в том числе неповрежденного 37,2%. На пасеках без учета площади волоков сохранилось 66,5% подроста. Большой процент уничтоженного подроста в данной технологии можно объяснить тем, что до 11,4% деревьев было повалено под углом 4060° к волоку и 5,1% - под углом 60-90°. При сборе их в пачку они уничтожали подрост. При трелевке деревьев за комель (обычная технология) сохранилось 11% подроста, в том числе 5,4% имеют повреждения. Примерно аналогичные цифры приводятся в работе [9] при использовании на трелевке трактора ЛП-18А. 31

А.М. Вечерин и Г.А. Гаркунов [84] дают следующую лесоводственную оценку машин по сохранению подроста. Установив при опытных рубках, что применение ЛП-19 ЛТ-157 на твердых грунтах и с ЛТ-154 на слабых позволяет сохранить летом в пасеке 62-67% мелкого и среднего подроста и 50-55% крупного, они сделали вывод, что эти машины отвечают требованиям лесного хозяйства, хотя производительность валочнопакетирущих машин за счёт подъёма дерева над подростом снижается на 20-25%. Все другие новые отечественные машины (ВМ-4, ВТМ-4, ЛП-17, ЛП-49, ТБ-1, ЛП-18, ЛП-18А) при трелевке деревьев за комель не обеспечивают сохранения подроста, хотя имеют хорошие производственные показатели. При трелевке за вершины деревьев с помощью ЛП-18 и ЛП-18А можно сохранить 50-69% тонкомера. Линейные повреждения почвы не превышают 10%. Однако, производительность этих машин, по сравнению с трелевкой за комли снижается на 11,2%. [85]. В.А. Помазшок и В. А. Смердов [86] заявляли, что все агрегатные машины требуют усовершенствования, хотя сохранность подроста без повреждений при сплошной рубке ЛП-19 в комплексе с ЛП-18 составила в их опыте 59%. При сохранении подроста производительность труда снижалась. Площадь всех волоков (с магистральными) изменялась от 35% до 43% площади лесосеки. Из этого анализа следует, что валочно-трелевочные машины типа ВТМ-4 и ЛП-17, ввиду небольшой ширины разрабатываемой ленты леса и особенностей технологического процесса их работы, не обеспечивают желаемого сохранения природной среды, в особенности результатов предварительного лесовозобновления. Хотя имеют хорошие производственные показатели. Валочно-пакетирующая машина типа ЛП-19 обеспечивает высокий процент сохранности подроста и почвенного покрова при укладке деревьев на волок. Однако, ввиду того, что пачки при этом получаются небольшими, резко снижается производительность трелевочного трактора (при этом процент сохранности природной среды не увеличивается из-за того, что машиной формируются, а трактором трелюются небольшие пачки). В то же время, машина ЛП-19 при работе по схеме, обеспечивающей достаточную производительность трелевочного трактора, не обеспечивает сохранение природной среды. Квалифицированная оценка влияния лесосечных машин на сохранность подроста дана в работах [87, 88, 89]. Анализ этих работ показал, что сохранность подроста, минерализации и уплотнения почвы, размер площади лесосеки, подверженной отрицательному воздействию лесосечных машин и персонала, определяется не столько техникой, сколько организацией 32

работ, физико-механическими свойствами почвы, характеристиками древостоя, климатическими условиями или сезоном лесозаготовки; поэтому результаты исследований влияния лесосечных машин на сохранность подроста и рекомендации исследователей по применению систем машин значительно отличаются. Исследователи Рубцов М.В. и др. [87] изучили влияние многооперационных машин и тракторов ТДТ-55 и ТТ-4 работающих по традиционной технологии: делянки разрабатывались узкими лентами, на валке использовались бензиномоторные пилы, трелевали хлысты за комли с помощью тракторов ТДТ-55 и ТТ-4, сучья обрубались на лесосеке, разбрасывались за тем по площади вырубки. По другой технологии использовались на валке машины ЛП-19, на трелевке ЛП-154, ЛП-18А. При этом на погрузочные площадки приходилось 22-28% площади лесосеки. Определенная по аэрофотоснимкам густота транспортных путей и площадь погрузочной площадки, установленные в натуре параметры волоков, путей прохода техники и дорог позволили определить размеры вырубки занятой различными технологическими элементами. На делянках, разрабатываемых с помощью многооперационных машин, она составляла 50% площади, на участках где применялась традиционная техника и технологии – в 2,5 раза меньше. При использовании многооперационных машин в летний сезон на волоках, дорогах и погрузочных площадках в свежих и влажных условиях почвы на производственных участках были очень изменены. В целом на обследованных делянках площадь с поверхностью почвы, поврежденной в сильной степени составила в черничнике свежем – 36 %, влажном – 43 %. Там, где применялась традиционная технология эти показатели были в 4 раза меньше. Все это можно трансформировать и на сохранность подроста [87]. Бартеньев И.М. и Винокуров В.Н. [90] на основании анализа исследований различных авторов установили, что ЛП-49 и ЛП-18А губят до 85% подроста и 85 % тонкомера. Трелевочные трактора из-за высокого давления на грунт даже при разовом проходе в почве с повышенной влажностью проделывают глубокую колею. В таких условиях волок после двухтрех проходов трактора становится непроходим. Трактор с каждой новой пачкой вынужден проделывать новый след. В результате этого практически вся площадь вырубки (90-95 %) оказывается изрезанной глубокими колеями, уничтожается до 90-93 % подроста и минерализуется почва на 6580 %. Процент поранений подроста и почвенного покрова по территории лесосеки распределяется неравномерно: больше в районе погрузочных пунктов и меньше в отдаленных частях лесосеки. Общий же средний процент на лесосеке зависит от площади, занимаемой волоками и погрузочными пунктами. В свою очередь количество последних зависит от пара33

метров машин и трелевочных тракторов и схемы планировки лесосеки, а это, соответственно, влияет на производительность машин и тракторов и экономическую эффективность проведения лесовосстановительных мероприятий. Таким образом, получается тесная взаимосвязь всех перечисленных моментов. Из всех видов лесовозобновления (естественное, искусственное и смешанное) современная лесоводственная наука считает наиболее предпочтительным естественное и, иногда, смешанное [91]. В настоящее время считается, что из всех мер содействия естественному лесовозобновлению наиболее действенным является сохранение подроста, т.е. основная ставка делается на сохранение результатов предварительного лесовозобновления. Для осуществления такого способа содействия разработаны специальные способы заготовки леса (Костромской способ при механизированной валке, челночный способ при работе ВТМ и др.), которые позволяют сохранять до 65% имеющегося на пасеках подроста снижая при этом производительность основных работ. В научной литературе встречаются сведения, что такой метод содействия позволяет сократить оборот рубки главной породы на 10 – 50 лет. Однако, такой подход далеко не всегда оправдан следующим причинам: • известно, что на большей части территории покрытых лесом равнинных земель лесного фонда РФ главными породами являются хвойные; • в лесах, где в качестве главной породы выбраны светолюбивые хвойные (сосна, лиственница) подрост данных пород практически отсутствует из-за их неспособности нормально развиваться под материнским пологом; • в лесах образованных теневыносливыми хвойными (ель, пихта) имеется большое количество подроста, однако, по нашим наблюдениям и по данным других исследователей [92], большое количество сохраненного при лесозаготовках подроста погибает в первые 5-10 лет после сплошной рубки из-за резкого изменения микроклимата и светового режима после удаления материнского полога (ожог хвои и шейки корня, выжимание корней и пр.). Причем, процент отмирающего подроста напрямую зависит от типа вырубки, а, следовательно, от предшествующего ей типа леса. • отмирающий в течении 1-2 классов возраста подрост захламляет лесосеку повышая ее пожароопасность и увеличивая риск поражения леса вредителями и болезнями. В связи с этим можно утверждать, что в определенных типах леса отказ от сохранения подроста, с обязательным оставлением семенников, может дать в большей степени положительные, нежели отрицательные результаты по следующим причинам:

34

• технологии лесосечных работ без сохранения подроста более производительны; • отказ от строго заданной сети пасечных трелевочных волоков позволит трелевочным тракторам проезжать по одному месту не более 2-4 раз (в зависимости от удаленности от верхнего склада) приводя в большей степени к улучшению лесной почвы благодаря ее скарификации, а также доводя плотность почвы до оптимальной для развития семян, т.е. способствуя улучшению условий для последующего естественного лесовозобновления [93]; • при очистке лесосек от порубочных остатков появляется возможность использования высокопроизводительных подборщиков грабельного типа; • отказ от сохранения подроста позволит шире использовать технологию трелевки деревьев за комли, резко повышая производительность операции очистки деревьев от сучьев (при использовании мобильных сучкорезных машин), позволит сконцентрировать большую часть порубочных остатков на верхнем складе значительно облегчая их дальнейшую утилизацию и снижая трудоемкость очистки лесосек [94]. Более того, например, в [95] отмечается, что согласно проведенным исследованиям, на основании обширного материала, полученного в Западной и Средней Сибири на вырубках погибает от 15 – 95%, а иногда и 100% сохраненного жизнеспособного подроста хвойных пород. Такие же данные получены на некоторых типах вырубок для условий Северо-Западного региона РФ авторами работы [92], в которой, в частности говорится, что «отпад подроста ели (20-летнего возраста в момент рубки) за пятилетний период после сплошной рубки (Крестецкий ЛПХ) в формирующемся разнотравно-ситниковом, ситниково-вейниковом и ситниковом типах вырубок соотвественно составил: 18,5%, 57,3% и 100%. Авторами работы [96] в результате широкомасштабных исследований установлено, что в целом по Северо-Западному региону площадь лесонасаждений с достаточным для устойчивого лесовозобновления количеством подроста главных пород не превышает 49,2%, причем, для некоторых областей она не превышает 10% (Новгородская – 9,0%, Псковская – 5,9%). Вышесказанное позволяет утверждать, что на значительных лесных площадях сохранение подроста не является выгодным, в связи с плохими перспективами его последующего развития или с его недостаточным количеством. В этом случае на первый план выход последующее естественное лесовозобновление, основанное как на обязательном сохранении обсеменителей, так и на мерах содействия, таких как подготовка почвы, очистка лесосек и пр.

35

Понятно, что с точки зрения последующего естественного лесовозобновления (прорастания попавших в почву семян) состояние почвы будет одним из первоочередных факторов влияющих на успешность данного процесса. Также очевидно, что использование дополнительных машин и механизмов для выполнения специальных технологических операций по подготовке почвы к последующему естественному лесовозобновлению будет удорожать и усложнять процесс лесосечных работ. Наиболее простым решением данной дилеммы, на наш взгляд, является модернизация технологии лесосечных работ с целью одновременного повышения как технологической (экономической), так и экологической эффективности лесосечных работ. 1.2.2.2 Сохранение ключевых биотопов Известно [22], что лес – это элемент географического ландшафта, состоящий из древесных, кустарниковых и травянистых растений, элементов животного мира и микроорганизмов, в своем биологическом развитии взаимосвязанных и оказывающих влияние друг на друга и на окружающую среду. Любая природная территория представляет собой иерархию природно-териториальных комплексов разного уровня. Разные экологические функции леса проявляются на разных уровнях иерархии, и, следовательно, природоохранное планирование выполняется для природнотерриториальных комплексов различного масштаба – географического ландшафта, местности, выдела и ключевых биотопов внутри выдела. На разных уровнях природоохранного планирования специалистами лесного хозяйства, биологами, экологами и т.д. решаются различные задачи, от выбора приоритетов экологической политики (в масштабе территории 200-300 тыс. га) до выделения ключевых биотопов и объектов важных для сохранения лесной среды и биоразнообразия (в масштабах выдела). Для рассматриваемой проблемы, сохранения биоразнообразия леса при проведении сплошных рубок, наиболее важными будут решения принятые на самых низких уровнях планирования, при которых производится выделение участков подлежащих обязательному сохранению при проведении рубок главного пользования, в масштабе выдела (лесосеки). Для сохранения разнообразия естественных условий, а также важных элементов лесной среды и местообитания многих видов живых организмов специалисты выделяют охраняемые (ключевые) объекты – микробиотопы и микроместоположения [71]. К микроместоположениям относят элементы микрорельефа на лесосеке. К ним можно отнести непродуктивные участки (каменистые участки

36

и выходы скал); заболоченные понижения, ключи, плывуны и небольшие водотоки. Микробиотопы – это элементы лесной среды, необходимые для сохранения биологического разнообразия на вырубке. Это, например, скопления крупного сухостоя и валежника на разных стадиях разложения с существующим возобновлением, старовозрастные хвойные и широколиственные деревья предыдущих генераций леса (единичные или в группах). В дальнейшем изложении микробиотопы и микроместоположения будем называть одним термином – ключевые биотопы. Основными направлениями повышения экологичности сплошных рубок, являются: повышение надежности естественного лесовозобновления на вырубках, а также сохранение биоразнообразия лесов. Эти два требования могут быть достигнуты при обоснованном применении технологии заготовки леса без сохранения подроста и жесткой сети пасечных волоков, при обязательном оставлении ключевых биотопов лесосеки, которые могут играть также, роль семенных куртин [72, 70]. К основным ключевым биотопам относятся [71, 73]: 1. Временный естественный водоток между двух холмов. Здесь вода течет в открытом виде только весной; летом на поверхности земли воды не видно, однако она продолжает свое движение в почве. Деревья подобно насосу откачивают воду и препятствуют заболачиванию участка, поэтому вдоль водотока в пределах заболоченной части оставлены все деревья полосой от 10 до 15 метров. При вырубке тяжелая техника перерезала бы подземное русло, что неизбежно привело бы к естественному и очень быстрому заболачиванию участка. Деревья, растущие на подобных участках, как правило, имеют низкое качество древесины, поэтому экономические потери из-за оставленной здесь древесины невелики. Таким образом, сохранение данного ключевого биотопа имеет не только экологический, но и экономический смысл; 2. Участки леса на заболоченных понижениях. Это маленькие болота, вокруг которых оставляются деревья. Задача этого биотопа - сберечь группу деревьев, которые способствуют сохранению многих живых организмов. Обычно на таких болотах растет низкотоварная древесина, поэтому экономические потери здесь также невелики. Деревья сохраняют только на заболоченных территориях. Возобновляясь естественным путем, заболоченные участки будут способствовать сохранению мозаичной структуры леса на этой территории. Тяжелая техника должна обходить эти участки, чтобы сохранить слабую почву биотопа.

37

3.

Скоплений крупного валежника на разных стадиях разложения и сухих деревьев. С мертвой древесиной связано очень большое количество видов живых организмов. Птицы, множество насекомых, грибы и ягоды - в лесу нет ничего лишнего, все необходимо для его развития и естественной жизни. Особенность биотопа состоит в том, что выбираются участки не эксплуатационной площади лесосеки, где уже произошло естественное куртинное возобновление леса, которое будет формировать естественный лес. Следует отметить, что оставление данного вида биотопов противоречит фитопатологической задаче очистки лесосек, поэтому выделение биотопов такого типа возможно только в энтомологически безопасных районах. 4. Небольшие реликтовые формы рельефа, характерные для данной территории (ледниковые воронки и пр.). Здесь также не следует использовать любую технику, которая может разрушить сохраняемую территорию. 5. Существующие группы предварительного естественного лесовозобновления. Рассматривая вышеперечисленные биотопы можно сделать вывод о том, что в большинстве случаев они относятся к не эксплуатационным площадям лесосеки [3, 69, 70, 72], в связи с чем противоречий между существующей в настоящее время технологией сплошных рубок и требованиями по сохранению биоразнообразия леса не возникает. Вносимые также в биотопы куртины перестойных лиственных деревьев являются для лесозаготовителей местами невыгодной рубки из-за больших затрат на заготовку и крайне низкого выхода деловой древесины. И вырубаются в настоящее время только под угрозой штрафа за недоруб. Следует отметить, что выделение и оценка ключевых биотопов является задачей ученых биологов, экологов и лесоводов, задача же лесозаготовителей сводится к тому, что бы обеспечить сохранение и указанных участков, заранее обозначенных на технологических картах и в натуре. Отечественные и зарубежные ученые биологи и экологи сходятся во мнении, что сплошные рубки в условиях бореальных лесов, большую часть которых составляют леса Российской Федерации, не являются препятствием для сохранения биологического разнообразия лесной среды. Это связано с тем [74, 75], что в настоящее время эти леса на обширных площадях могут быть уничтожены, например, пожарами, бурями, в результате засухи, снеголома, массового размножения насекомых – вредителей, рубок. Однако катастрофическое нарушение бореальных лесных экосистем – это начало новой сукцессии, которая постепенно приводит к развитию лесного насаждения, подобного тому, какое существовало на этом месте до 38

катастрофы [75]. В результате нарушений, если лесные участки зарастают без вмешательства человека часто получаются одновозрастные насаждения семенного происхождения, во многом идентичные исходному [76]. Понятно, что с развитием насаждения от молодого леса до старовозрастного число биотопов и, соответственно, биологических видов их занимающих будет меняться, несмотря на наличие или присутствие антропогенного воздействия. Например, в [77] указывается, что молодые и старовозрастные леса обеспечивают намного большее число местообитаний для позвоночных, нежели промежуточные стадии. А в работах Финских и Шведских [78, 79] исследователей отмечается, что несмотря на наличие видов находящих на грани исчезновения, их общее количество составляет всего 5% общего числа лесных видов. Этот факт позволил авторам сделать вывод о том, что «…принимая во внимание большие масштабы вырубок и другие приемы ведения лесного хозяйства, эта цифра представляется очень низкой». Из этого можно заключить, что методы, используемые в лесном хозяйстве не приводят к большим отличиям от естественной динамики лесной среды. Кроме того, авторы этих же работ считают, что больший вред сохранению биоразнообразия лесной среды приносит осушение лесных болот нежели сплошные рубки. Отметим, что наука о сохранении биологического разнообразии является еще весьма молодой и находится в стадии развития. Большое количество работ по данной проблематике опубликованы в зарубежной печати. Среди исследователей данного вопроса по многим положениям нет еще единого мнения, а, зачастую, они прямо противоположны. Например, в одном и том же сборнике научных трудов «Устойчивое развитие бореальных лесов» приводятся прямо противоположные мнения: [80, с. 63] – «Генетические ресурсы лесов бореальной зоны более скромны по видовому составу, нежели в тропических дождевых лесах»; [75, c. 17] – «Генетическое многообразие видов в бореальных регионах шире, чем в тропиках». 1.3 Основные выводы по главе 1 По результатам представленного выше обзора литературных источников можно сделать следующие основные выводы: 1 Наиболее распространенной в настоящее время технологией лесосечных работ является хлыстовая (более 85%), которая включает в себя три технологических процесса (см. табл. 1.1). 2 Наиболее энергоемкой и экологически опасной операцией указанных технологических процессов является трелевка лесоматериалов (хлыстов, полухлыстов или деревьев) в полупогруженном или полуподвешенном положении, за комли или вершины, поскольку в свете эконо39

3

4

5 6

40

мических и природно-производственных условий машинная заготовка леса, на ближайшую перспективу будет менее выгодна в РФ, нежели механизированная. Наиболее распространенным в настоящее время, на ближайшую обозримую перспективу, видом первичного транспорта леса для работы по хлыстовой технологии являются гусеничные трелевочные тракторы, оборудованные скользящим канатно-чокерным оборудованием, бесчокерным оборудованием или пачковым захватом. Основными факторами отрицательного воздействия лесозаготовительной техники и технологии на лесную среду является переуплотнение лесных почвогрунтов и повреждение (разрушение) подроста и ключевых местообитаний и местоположений (ключевых биотопов). Воздействие техники на лесные почвогрунты может быть как положительным, так и отрицательным. Технология работы без сохранения подроста (но с сохранением ключевых биотопов) может быть весьма перспективной с точки зрения повышения экономической и экологической эффективности сплошных рубок главного пользования лесом. И, в перспективе, ее внедрение будет способствовать упрощению прохождения лесозаготовительными организациями процессов экосертификации и эколебелинга.

ГЛАВА 2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПО СОВЕРШЕНСТВОАНИЮ ЭФФЕКТИВНОСТИ ЛЕСОСЕЧНЫХ РАБОТ Как уже отмечалось в главе 1, при оценке результатов проведения основных лесосечных работ можно выделить два основных аспекта: эксплуатационную (технологическую) и экологическую эффективность. Первая оценивается такими показателями как энерго- и трудоемкость процесса, удельные затраты (себестоимость) и т.д. [18, 111, 112]. Экологическая эффективность будет оцениваться по степени отрицательного повреждения лесной экосистемы, причем еще раз отметим, что повреждения лесной среды при лесозаготовках могут быть и положительными для последующего естественного лесовозобновления, [113]. Новые методики оценки экологической эффективности как для промышленности в целом, так и для лесной отрасли в отдельности [139, 141] разрабатываются в последнее время. Для промышленности в целом экологическую эффективность предлагается оценивать как «системную многокритериальную категорию, в своей основе синтезирующую экономические и экологические приоритеты» [139]. Учеными СПб ГЛТА [141] применительно к лесозаготовительному производству экологическую эффективность предлагается рассматривать как «компоненту вектора общей эффективности», это позволяет утверждать, что понятие экологической эффективности неразрывно связано с экономическими, техническими, технологическими и др. параметрами всего производственного процесса в целом. В этой связи для выполнения задач исследования требуется разработать методику оптимизации размещения путей первичного транспорта леса как с точки зрения снижения энергоемкости, и, соответственно, себестоимости наиболее затратной технологической операции основных лесосечных работ – трелевки лесоматериалов, а также методику определения уплотнения лесных почвогрунтов в зависимости от основных показателей работы первичного транспорта леса. 2.1 Координатно-объемная методика трассирования путей первичного транспорта леса Известно, что почти на всякой лесосеке имеются участки (выдела) с различным запасом леса на гектаре, участки с трудной проходимостью трелевочных машин по почвенно-грунтовым и по рельефным условиям, а также биотопы, которые приходится объезжать.

41

Понятно, что к тем выделам, где больший запас леса приходится делать большее число рейсов. Некоторые участки приходится объезжать. На участках со слабонесущими грунтами требуется ограничивать вес пачки или дополнительно укреплять волок. Там где есть подъемы и спуски в грузовом направлении – приходится ограничивать вес пачки по касательной силе тяги трактора. Мощность N трактора, необходимая для трелевки пачки по волоку, зависит от касательной силы тяги FК и скорости V движения, и определяется известным выражением:

N=

FK ⋅V

ηТ

,

(2.1)

где: ηТ - КПД трансмиссии. Подчеркнем, что мощность установленного на трелевочной машине двигателя известна и машина должна работать в режимах, когда N близка или равна Nном. Следовательно, для любого участка лесосеки должно соблюдаться условие:

FK ⋅ V = N ⋅ηТ

(2.2) Если трактор с полупогруженной пачкой хлыстов имеет собственный вес GT, долю k′ веса пачки GВ на себе и движется на подъем (спуск) с некоторым углом α, то касательную силу тяги можно определить приближенно из выражения:

FK = GT (ϕ T cos α ± sin α ) + k ′G В (ϕ T cos α ± sin α ) + + (1 − k ′)G В (ϕ П cos α ± sin α )

(2.3)

где: ϕТ и ϕП – коэффициенты сопротивления движению соответственно трактора и волочащейся части пачки. В этой формуле не учитывается смещение центра тяжести трактора с долей пачки относительно центра тяжести собственно трактора, что приводит к перераспределению давлений движителя на грунт. На протяжении волока ϕТ, ϕП и α могут отличаться и весьма существенно. Уравнение (2.3) лишь частично отражает почвенно-грунтовые условия значениями ϕТ и ϕП, а рельеф – углом α на отдельных участках. Значения ϕТ во многом зависят от давления движителя на грунт, от состояния поверхности движения и других факторов. Значения ϕП зависят от состава древостоя, развитости кроны (при трелевке деревьев), направления комлей и других факторов.

42

При холостом ходе трактора в уравнении (2.3) GВ=0 и FКХ=GТ(ϕТcosα±sinα), следовательно при грузовом и холостом ходах скорости движения можно получить из выражения (2.2):

V ГХ =

N ⋅η N ⋅η = V XX FK , а FKX

(2.4)

Но поскольку FKXVГХ и при известной протяженности отдельных участков не трудно рассчитать время их прохождения в грузовом и холостом направлениях. Из выражений (2.3) и (2.4) можно сделать вывод о том, что поддержанием мощности близкой к номинальной можно увеличивать скорости движения или вес пачки путем снижения веса трактора и коэффициента сопротивления движению. Вес трелюемой пачки можно выразить как:

GВ =

N ⋅ η − GT ⋅ V ГХ (ϕ T cos α ± sin α ) V ГХ [k ′(ϕ T cos α ± sin α ) + (1 − k ′)(ϕ П cos α ± sin α )]

(2.5)

Если для всех участков рассчитать вес пачки по формуле (2.5) и скорости движений, то можно определить максимально допустимое значение GВ по наихудшему участку, которое в свою очередь является лимитирующим значением веса трелюемой пачки по данному маршруту, и время цикла трелевки пачки. Особый вопрос состоит в долговечности отдельных участков. Сколько двойных проходов трелевочной машины и трелевочной системы можно допустить на том или ином участке для предотвращения перехода слабых (полезных) повреждений почвы в сильные (вредные). Очевидно, что чем ближе участок к погрузочному пункту, тем больше двойных проходов на него приходится. Проведенные нами теоретические исследования показывают, что для снижения затрат на освоение лесосеки, а также степени повреждения почвы необходимо знать подробную ее характеристику. До начала разработки лесосеки надо иметь по крайней мере три ее карты-характеристики. На одной должны быть изображены все выдела, т.е. отдельные части всей площади лесосеки с определенным составом древостоя, средним объемом хлыста и тем или иным запасом леса на гектаре. На другой – должны быть нанесены площади с примерно одинаковой несущей способностью грунтов и в том числе непроходимые для машины. На третьей – все рельефные особенности – подъемы, спуски и их параметры, ручьи, канавы и т.п. Если масштабы всех карт одинаковы, то наложив их одну на другую получим достаточно подробную характеристику каждой точки лесосеки. Выбрав произвольную систему координат, например, ось абсцисс парал43

лельно фронту отгрузки, усу, или как то иначе, можно однозначно привязать каждую точку к месту положения и знать ее подробную характеристику. Выдел с некоторым запасом qi леса на гектаре может иметь произвольную форму площади Si. Но какой бы ни была форма выдела на ней всегда можно найти центр запаса леса (ЦЗЛ), по аналогии с центром тяжести плоской фигуры одинаковой плотности. По первой карте можно определить координаты ЦЗЛ (xi; yi), как это показано на рис. 2.1, на котором цветом выделены труднопроходимые участки. Если площадь выдела оказывается слишком большой или форма площади слишком сложной, ее следует произвольно разбить на части, размером, например, в площадь зоны набора одной пачки, и определить ЦЗЛ каждой части и координаты на карте. Тогда координаты ЦЗЛ всего выдела можно вычислить по формулам: q (S x + S 2 x2 + ... + S n xn ) q (S y + S y + ... + S n y n ) xi = i 1 1 ; yi = i 1 1 2 2 (2.6) q1 + q2 + ... + qn q1 + q 2 + ... + q n где: n – число частей разбитой площади выдела; Sn, (xn, yn) – площади и координаты i-того выдела.

Рис. 2.1. Разбиение лесосеки на элементарные участки В общем виде для нескольких выделов можно записать:

44

Z

∑q S x i

xЦ =

Z

i i

i

yЦ =

i =1

Z

∑ qi

∑q S y

;

i =1

i

i

i =1

Z

∑ qi

(2.7)

i =1

В тех случаях, когда по тем или иным причинам волока невозможно или крайне нецелесообразно провести по ЦЗЛ двух выделов, а приходится проложить его между двумя соседними, то координаты точки условно сдвоенного выдела состоящего из двух разных по площади и запасу леса можно вычислить как:

xC =

q1 S1 x1 + q 2 S 2 x 2 q1 S1 + q 2 S 2

yC =

q1 S1 y1 + q 2 S 2 y 2 q1 S1 + q 2 S 2

(2.8)

Трасса волоков от одного ЦЗЛ до условно сдвоенного ЦЗЛ двух выделов оказывается сопряженной, однако спрямление волоков может оказаться невозможным по рельефу и почвенно-грунтовым условиям. Таким образом, объемно-координатный способ в сочетании с рельефными и почвенно-грунтовыми ограничениями позволит вполне обоснованно составлять схемы расположения волоков на лесосеке и тем самым свести к минимально-возможным энергетические и материальные затраты на трелевке хлыстов и деревьев, а также ухудшение лесорастительных условий за счет снижения суммарного уплотняющего воздействия трелевочных систем на почвогрунты лесосеки. Такую методику можно, по нашему мнению, применить и при строительстве усов лесовозных дорог. Только вместо термина «выдел», следует принять термин – лесосека. Разумеется, масштабы карт и расположение координатных осей могут быть иными, в частности они могут совпадать с географической системой координат. Износ волока сильно влияет на коэффициенты ϕТ и ϕП сопротивления движению трактора и волочащейся части пачки хлыстов или деревьев, хотя эта зависимость не всегда явно просматривается. Дело в том, что формирование колеи зависит от почвенно-грунтовых условий. В одних случаях по мере наработки, то есть увеличения числа двойных проходов трактора в некоторых местах грунт под гусеницами или колесами сначала раздавливается и уплотняется и ϕТ уменьшается. Затем разрушается уплотненный слой, глубина колей и ϕТ увеличиваются. В других случаях грунт под гусеницами или колесами уплотняется очень слабо и почти сразу начинает разрушаться, глубина колеи постоянно увеличивается и ϕТ довольно быстро достигает предельных значений.

45

Чтобы оценить степень уширения волока на отдельных его участках надо знать требуемую наработку на каждом из них, то есть определить сколько же двойных ходов трактора он должен выдерживать. Пусть протяженность волока L такова, что он пересекает n примыкающих к нему выделов с площадями Si и запасами леса на гектаре qi. Общий объем древесины VВ, который необходимо стрелевать по этой трассе к погрузочному пункту и общее число двойных ходов Zmax трактора можно вычислить, если определен объем VП трелюемой пачки с учетом рельефно-почвенных ограничений. n

V В = ∑ S i qi ;

Z max =

i =1

VВ VП

(2.9)

Протяженность l1 этой части волока можно принять равной расстоянию от погрузочного пункта до ЦЗЛ ближайшего выдела, которая вычисляется по координатам ЦЗЛ и погрузочного пункта, как расстояние между двумя точками по формуле:

l1 =

( x 2 − x1 ) 2 + ( y 2 − y 1 ) 2 ,

(2.10)

или по карте с определенным масштабом с помощью линейки. Объем хлыстов, трелюемых на втором участке волока от ЦЗЛ первого выдела до ЦЗЛ следующего выдела оказывается меньше на величину объема стрелеванного с первого выдела.

V В 1 = V В − S 1 q1 ,

(2.11)

а число двойных ходов:

Z max −1 =

VВ − S1q1 . VП

(2.12)

Протяженность второго участка волока можно определить аналогично первому. Очевидно, что по наиболее удаленному участку волока необходимо стрелевать объем хлыстов:

V Вn = S n q n ,

(2.13)

и совершить число двойных рейсов трактора:

Z min =

S n qn VП

(2.14)

Планируемая наработка на тот или иной участок трассы в сочетании со знанием несущей способности грунтов и рельефом каждого участка позволит приближенно снизить энергозатраты на трелевку древесины и повреждения почвы. Однако необходимо учитывать, что всякие перегрузки 46

трактора, для уменьшения количества ходов, сверх допустимых или приводят к его поломке, или значительно сокращают его долговечность. Таким образом подробная характеристика почвенно-грунтовых и рельефных условий лесосеки в сочетании с координатно-объемной методикой трассирования позволяет получить такую схему расположения трасс трелевки при которой суммарные затраты на трелевку могут быть сведены к оптимальным, а повреждения почвы к требуемым и позволяющим оптимизировать лесорастительные условия для последующего естественного лесовозобновления, и, в конечном итоге повысить экологическую эффективность работы трелевочных тракторов.

Рис. 2.2. Схема расположения трелевочных волоков по предлагаемой методике расчета (цветом выделены труднопроходимые участки и не эксплуатационные площади)

47

Рис. 2.3. Параллельная схема расположения волоков На рис. 2.2. и 2.3. показаны схемы расположения трелевочных волоков, соответственно рассчитанные по предлагаемой методике и при стандартной параллельной схеме размещения. Как видно из рис. 2.1. учет, выделенных цветом, труднопроходимых участков и неэксплуатационных площадей позволяет располагать трелевочные волоки таким, образом, что они их не пересекают, что соответственно снижает энергоемкость процесса трелевки. При использовании стандартной схемы расположения волоков (рис. 2.3) волоки часто пересекают труднопроходимые участки, что приводит к увеличению затрат на саму трелевку, а также на подготовительные и вспомогательные работы. 2.2 Оценка процессов деформирования при циклическом уплотнении почвы Известно, что помимо среднего расстояния трелевки (которое зависит в основном от размеров и формы лесосеки) к основным показателям работы первичного транспорта леса относятся: грузооборот, грузовая работа, грузонапряженность трелевочных волоков и коэффициент пробега. Грузовую работу первичного транспорта леса в работе [114] предлагается оценивать количеством кубокилометров выполняемых по отдельному волоку или всей сети волоков. Однако, на наш взгляд, такая оценка не может быть признана правильной, поскольку известно, что работа есть произведение силы на путь [115]. В этой связи в наших исследованиях грузовая работа первичного транспорта леса буде оцениваться в кН·км. Для 48

определения количества грузовой работы, приходящийся на один полный рейс трелевочной системы (холостой ход трактора + ход с пачкой) переведем массу трактора и массу пачки в единицы веса путем умножения на ускорение свободного падения. Грузовую работу принято выражать графически в виде схемы грузопотоков пасечных или магистральных волоков. Обычно пасеки имеют прямоугольную или треугольную форму. Максимальный грузооборот волока составит: qП = S П q (2.15) 3 где: SП – площадь пасеки, га; q – запас леса на гектаре, м /га. Грузовая работа пасечного волока для прямоугольной пасеки в кН·км составит: R П = 0,5q П ρgl + 2G Т , (2.16) где: l – длина волока, км; ρ – плотность древесины; g – ускорение свободного падения; GТ – эксплуатационный вес трактора. Можно априорно утверждать, что показатель грузовой работы имеет весьма тесную связь со степенью влияния трелевочных систем на лесную почву. Если представить эпюр нагрузки на сеть трелевочных волоков в плане, то согласно схеме эпюра грузовой работы получим (рис. 2.4):

Рис. 2.4 Эпюр грузовой работы в плане: 1 – пасечный волок; 2 – магистральный волок; 3 – верхний склад; 4 – территория лесосеки. На рис. 2.5 интенсивностью оттенков серого показан эпюр грузовой работы, можно обоснованно полагать, что введением эмпирического ко49

эффициента, учитывающего тип и состояние почв лесосеки, этот эпюр легко может быть трансформирован в эпюр воздействия лесозаготовительной техники, и, прежде всего трелевочных систем, на почву. Тогда эпюр грузовой работы, и, соответственно, повреждений почвы при работе без сохранения подроста и строго заданной сети пасечных волоков будет выглядеть как (рис. 2.5). Из сказанного видно, что благодаря отказу от сети пасечных волоков можно добиться более равномерного распределения грузовой работы и повреждаемости почвы, что приведет к тому, что трелевочные системы на большей части территории лесосеки будут не ухудшать, а улучшать почву для будущих генераций леса естественного происхождения. Следовательно, необходимо создать модель позволяющую связать цикличность уплотняющего воздействия и показатель грузовой работы, которые можно соответственно оценить по формулам (2.9) и (2.16), с уплотнением почвы. Анализ особенностей деформирования различных грунтов при вдавливании штампа [116] свидетельствует о достаточно сложных процессах, происходящих при формировании уплотненного ядра даже при однократном воздействии (проходе) трелевочной системы. При увеличении числа проходов процессы деформирования почвы изучены крайне мало. Вместе с тем в работе [19] отмечается функциональная связь между показателями уплотнения почвы и параметрами грунта, трелевочной системы и количества циклов N.

Рис. 2.5 Ориентировочный эпюр повреждаемости почвы 1 – магистральный волок; 2 – верхний склад; 3 – территория лесосеки

50

Очевидно, что в общей постановке решение подобной задачи вызывает большие математические трудности в силу ее существенной нелинейности, поскольку в каждом последующем цикле начальные и граничные (краевые) условия при решении дифференциальных уравнений являются результатом реализации предыдущего цикла, геомеханические характеристики грунта циклически изменяются, требуя учета влияния его реологии и природы переупаковки. В этой связи целесообразно создание комбинированной модели исследования циклического уплотнения грунта, в рамках которой учет геомеханических факторов осуществляется исходя из адекватных теоретических представлений механики грунтов, а технологические факторы отражаются в виде корреляционных соотношений. В конечном счете задача состоит в конструировании работоспособных полуэмпирических соотношений (формул) с набором коэффициентов, определяемых только из натурных экспериментов.

а б Рис. 1. К расчету нагружения почвы: а – схема нагружения; б – кривая деформации; в – четырехэлементная модель Фойгта

в Рис. 2.6 Схема нагружения грунта 51

Рассмотрим схему нагружения грунта под давлением σ от действия штампа шириной b и весом Q при глубине деформирования Н (Рис. 2.6 а). Будем считать, что за время цикла t= L/V, где L и V - длина опорной поверхности и скорость трелевочной системы, почва переместилась на глубину h= h1 в положительном направлении оси у. Повторный цикл перемещает почву на глубину h= h2 и т.д. Истинная деформация ε, которую испытывает элементарный слой dу грунта на текущей глубине h, оценивается в [117]: h

dy h = ln . h1 h1 y

ε=∫

(2.17)

С другой стороны деформация с уплотнением связаны соотношением:

ε=

ρ − ρ1 = ρ −1 ρ1

(2.18).

Из (2.17) и (2.18) после преобразований в первом приближении получим:

h = ln h1 + ρ .

(2.19) Рассмотрим общепринятую модель нагружения грунта, в частности в [116], где у кривой σ ( h ) выделяют три участка (Рис. 2.6 б). Уплотненное ядро в основном формируется на стадии упругой деформации (участок 1). На втором участке сила сопротивления уплотнению больше силы сопротивления боковому сдвигу и уплотнение имеет асимптотически затухающий характер. Участок 3 характеризуется развитием деформаций сдвига и начиная с глубины hs грунт "течет" при постоянном давлении σ=σs - пределе его несущей способности. Такой схеме нагружения соответствует четырехэлементная модель Фойгта [118], представленная на Рис. 2.6 в. Однако в силу того, что нас интересуют первые две фазы нагружения, а два упругих элемента объединим в единый с двумя составляющими, перейдем к рассмотрению двухэлементной модели с общим модулем деформации Е=Е0 +Еη. Тогда можно записать: dε σ = Еε + η , (2.20), dt где: η - вязкость грунта. Соотношение (2.20) с учетом (2.18) и равенства производных dε d ρ = примет вид: dt dt dρ σ = Е (ρ − 1) + η dt 52

или

dρ + ρЕ = σ + Е (2.21) dt В многоэлементных моделях Фойгта отмечается [118], что давление σ приложено к каждому элементу, а истинная деформация равна сумме деформаций элементов. Поэтому вначале, учитывая доминирующее уплотнение грунта на первом участке, примем в уравнении (2.21) σ=Е0 h . Тогда из уравнения (2.21) получим дифференциальное уравнение уплотнения: dρ + Е η ρ = Е 0 (ln h + 1) + Е η , (2.22) dt Еη Е0 где: Е η = , Е0 = . η η Решение (2.22) при начальных условиях: t=0 => ρ =1, ε=0 дает функцию уплотнения: Е −Е t ρ = 1 + 0 1 − е η (ln h + 1) . (2.23) Еη Таким образом, при t=0 => h =1, ρ =1. В дальнейшем с увеличением t прирост величины относительного уплотнения определяется тремя множителями Р1, Р2 и Р3, которые отличаются по сути. Рассмотрим их влияние подробнее. Множитель Р1 = Е0 Е отражает выбранную модель среды, т.е. переη

(

)

η

распределение упругих элементов в общем модуле деформации. В теории линейной вязкоупругости [118] диапазон изменения Р1 достаточно широк, однако в рамках нашей модели, когда податливость среды (1/Е) на первом участке превосходит податливость на втором, примем Р1