from 01.01.2017 until now
Khabarovsk, Russian Federation
Russian Federation
UDK 63 Сельское хозяйство. Лесное хозяйство. Охота. Рыбное хозяйство
The article presents the results of practical and theoretical studies in the field of application of balloon-cable systems capable of operating in the mode of vertical removal of a tree from a forest canopy and its subsequent transportation to a loading point. The relevance of this technological direction lies in the impossibility of traditional forestry equipment to carry out the process of harvesting and transporting wood without violating environmental requirements. It is noted that clear environmental effect can be achieved using air wood harvesting and transportation means, in particular when using balloon systems. A brief description of the operation of the load-gripping cutting mechanism used for the vertical skidding system using balloon-cable systems is given. It is indicated that the main parameters of these mechanisms that affect their effective operation are the mass of the mechanism and the speed of its lowering to the tree crown. The method of calculating the optimal mass of load-gripping cutting mechanism is given depending on the type of wood being processed and the speed of lowering. Brief recommendations for calculating mass and speed of movement with the possible use of an ascending load-gripping cutting mechanism are given
balloon skidding, balloon-cable system, load-gripping mechanism, vertical removal of stand, aerial skidding, cut of tree branches
Введение
При совершенствовании возможностей лесозаготовительной техники и оборудования не всегда учитываются современные экологические требования, важность и необходимость которых, продиктована не только общими лесохозяйственными требованиями, но и нарастающей тенденцией смены климатических условий на всей планете.
Применение в процессе лесозаготовок традиционных наземных технологий, в совокупности с вариантами сплошных рубок, влечет за собой изменение почвенного покрова, резко усиливает контрастность микроклимата на вырубках, ухудшает водорегулирующие свойства, что препятствует естественному возобновлению леса, ведет к низкой сохранности тонкомера и подроста.
Максимальный уровень экологической безопасности, в частности для системы горных лесов, может достигаться только с принципиально новым подходом к проведению выборочных рубок. В классическом понимании, выборочные рубки в горных лесах должны представлять из себя частичное изъятие единичных деревьев с определенной площади леса. При этом, идеальным представляется, практически 100% сохранение подроста, тонкомера и других близ стоящих деревьев, а также отсутствие любого чрезмерного воздействия на почву [1]. Однако если учесть, что оставшиеся растущие деревья повреждаются не только от процесса наземной трелевки, но и также от падения дерева в процессе его валки, то согласно проведенным исследованиям [3, 4, 7-14], наиболее щадящей технологией, которая совмещает возможности выборочной заготовки леса с размерным и геометрическим учетом расположения эксплуатационных площадок или лент, может являться воздушный способ трелевки древесины, представленный аэростатно-канатной системой, работающей по принципу вертикального изъятия деревьев и транспортировки их на погрузочный пункт.
Исходя из этого, можно констатировать, что для проведения лесозаготовительного процесса с вертикальным изъятием растущих деревьев, и последующей их транспортировки на погрузочный пункт, требуется разработка и параметризация специализированных грузозахватных механизмов (ГЗМ)использование которых позволяло бы применять радио дистанционную систему наведения и управления, максимально сохраняя оперативность работ.
Материалы и методы
Для реализации эффективной работы аэростатно-канатной системы в режиме изъятия вертикально стоящих древостоев была разработана серия новых грузозахватных механизмов (ГЗМ), которые отличаются пониженным показателем энергозатрат при заготовке древесины, а также повышенной оперативностью и соответственно более низкой себестоимостью работ. По итогу исследований были предложены несколько вариантов ГЗМ, основной особенностью которых, является наличие инерционных срезающих механизмов нисходящего и восходящего типа движения вдоль ствола дерева, в зависимости от породы [2].
Особенностью данных ГЗМ является использование в качестве инструмента реза специальных ножей и тяговой системы подъема или спуска срезающего механизма, движение которой обеспечивается бортовыми мини лебедками, либо подъемной силой аэростата.
Для обеспечения точного наведения на вершину стоящего дерева, целесообразно применять инерционный ГЗМ в форме усеченного конуса. Данная форма обеспечивает минимальное сопротивление воздушной среды при перемещении аэростата и более устойчива в процессе опускания и наведения.
Разделяющийся грузозахватный механизм нисходящего типа движения(РГЗМ НТД) представлен конструкцией конусного вида, которая имеет верхний и нижний силовые узлы. При перемещении в точку загрузки, во избежание колебаний грузовой подвески, верхний и нижний узел находится в сомкнутом состоянии под оболочкой аэростата. Когда аэростат достигает точки нахождения дерева, происходит его остановка за счет затормаживания работы барабанов наземных лебедок и последующее наведение и опускание РГЗМ на верхушку дерева с помощью бортового лебедочного комплекса, который находится под оболочкой аэростата. В момент достижения РГЗМ вершины дерева, происходит его разделение, после чего верхняя часть остается на месте, выполняя функции удержания вершины дерева, а нижняя часть, опускаясь вниз, за счет силы инерции, массы и специальных внутренних механизмов производит срез ветвей, захват комля, его срез и последующее удержание в процессе подъема и транспортировки. Процесс заготовки древесины с использованием аэростатно-канатной системой, оснащенной разделяющимся грузозахватным механизмом нисходящего типа движения представлен на рисунке 1.
Несмотря на явную эффективность, с точки зрения энергозатрат и улучшенной производительности, разделяющийся грузозахватный механизм в совокупности с системой наведения и стабилизации является серьезной конструкцией, требующей отдельного изучения.
Необходимо отметить, что важными параметрами инерционного ГЗМ, обеспечивающих эффективное срезание ветвей, является его масса и скорость опускания на крону дерева. При этом, масса ГЗМ по отношению к скорости опускания должна быть оптимальной, так как её завышение снижает полезную нагрузку аэростата, а уменьшение не обеспечивает устойчивость грузовой подвески в процессе перемещения и наведения на груз. В связи с чем, определение параметров массы инерционного грузозахватного механизма, а соответственно, и его конструктивных особенностей требует дополнительных исследований.
Результаты и обсуждения
Используя сведения из источников [5, 6] о числе сучьев i, среднем диаметре сучьев dс, длине бессучковой зоныlбсв зависимости от диаметра дерева на высоте груди d1,3для основных эксплуатационных пород (сосна, ель, лиственница) примем их за базовую информацию для дальнейшей методики расчета. Обработка данных проводилась с использованием метода наименьших квадратов.
По результатам статистической обработки, зависимость числа сучьевi от диаметра дерева на высоте груди d1,3 для сосны, ели и лиственницы выражена формулами:
(1)
(2)
(3)
Зависимость среднего диаметра сучьев dс от диаметра дерева на высоте груди d1,3 для сосны, ели и лиственницы выражена формулами:
(4)
(5)
(6)
Зависимость длины бессучковой зоны lбсот диаметра дерева на высоте груди d1,3для сосны, ели и лиственницы показана на рисунке 2 соответственно выражена формулами:
(7)
(8)
(9)
При этом общую длину дерева опишем выражением:
(10)
Сила, необходимая для срезания одного сучка, определяется по известной формуле:
(11)
гдеd – диаметр сучка [м], aП – поправочный коэффициент на породу древесины, aδ – поправочный коэффициент на угол срезания сучка.
Учтем, что диаметр сучьев изменяется по длине ствола. В работах [5, 6] приводится диапазон изменения коэффициента вариации диаметра сучьев для этих пород древесины: 0,2–0,5. Коэффициент вариации ν связан со среднеквадратичным отклонением S известной формулой:
(12)
Распределение сучьев по диаметру опишем при допущении о нормальном распределении диаметра сучьев по стволу дерева с учетом функции для оценки плотности вероятности в виде:
, (13)
а также уравнений (4)–(6) для dc в зависимости от d1,3.
Работа A, совершаемая при срезании с дерева всех сучьев, представляет собой сумму значений работы по срезанию каждого из сучков. С учетом функции распределения сучьев по диаметру, величину A [кДж] рассчитаем по формуле:
(14)
Сумму кинетической и потенциальной энергии срезающего механизма определим E [кДж] по формуле:
(15)
где M – масса срезающего механизма, V – скорость срезающего механизма в начале процесса очистки дерева от сучьев, g – ускорение свободного падения.
Возможность очистки дерева от сучьев оценим по сопоставлению суммарной энергии срезающего механизма в начале процесса E и значения работы, которую необходимо совершить при срезании всех сучьев A.
а) б) в) г)
Разработка Абузова А.В.
Рис.1. Технологический процесс заготовки древесины с использованием РГЗМ НТД: а) движение в точку загрузки; б) процесс наведения; в) процесс очистки от ветвей и спил; г) процесс транспортировки в точку разгрузки
Рис.2. Длина дерева и длина бессучковой зоны (графики с маркерами) в зависимости от диаметра дерева на высоте груди
Отметим, что при скоростях срезающего механизма в начале срезания сучьев (на вершине дерева) в пределах 1 – 2 м/с, кинетическая энергия много меньше потенциальной, т.е. 0,5MV2<<Mg(l – lбс). Например, при скорости V= 2 м/с и массе M = 500 кг кинетическая энергия составит 4 кДж, потенциальная энергия при разности l – lбс = 10 м составит 50 кДж, что на порядок выше. Таким образом, скорость, с которой начинается очистка дерева от сучьев, не оказывает на процесс заметного влияния. Иными словами, срезание сучьев становится возможным за счет энергии, приобретаемой срезающим механизмом уже в процессе его движения вдоль ствола дерева. Дополнительно заметим, что в теории резания в исследуемом диапазоне скоростей не вводится каких-либо дополнительных поправочных коэффициентов на скорость.
На рисунке 3 в виде графиков представлены зависимости A и E от d1,3при варьировании M и коэффициента вариации v (на примере сосны).
При заданных значениях M, V, aП, aδ, с учетом полученных выше зависимостей l, lбс, i, dс от d1,3по формулам (1)–(10), приравнивая друг другу величины A и E по формулам (14) и (15), получим соотношение для определения максимального диаметра d1,3дерева, которое можно очистить от сучьев. Замкнутое решение относительно d1,3не представляется возможным, поэтому для определения d1,3 прибегнем к численным методам.
Вычисления произведены при V = 1 – 2 м/с, M = 50 – 500 кг, aП = 1 (сосна), 1,1 (лиственница) и 1,3 (ель), aδ = 1, v= 0,2 – 0,5. Результаты решения (средние значения) представлены на рисунке 4.
Результаты вычислений авторов
Рис. 3. Работа при срезании с дерева всех сучьев (толстые линии), сумма кинетической и потенциальной энергии срезающего механизма (тонкие линии)
Результаты вычислений авторов
Рис. 4. Зависимость массы срезающего механизма от диаметра очищаемого дерева
Данные графиков на рисунке 4 можно аппроксимировать (R2> 0,95) следующими степенными зависимостями (для сосны, ели и лиственницы соответственно):
(16)
(17)
(18)
Оценить изменение скорости срезающего механизма в процессе очистки дерева от сучьев можно следующим образом. Зададимся вертикальной координатой z, причем у верхушки дерева z = 0, а в начале бессучковой зоны дерева z=l–lбс. С использованием закона сохранения энергии, а также выражений (14) и (15), при допущении о равномерном распределении числа сучков по длине ствола, получим для скорости V(z):
(19)
Например, при M=500 кг, для сосны с диаметром d1,3=45 см, зависимость скорости от координатыz (в диапазоне от 0 до l – lбс), решение уравнения (19) представим в виде графиков на рисунке 5. Из графиков видно, что начальный «запас» энергии (т.е. кинетическая энергия, обусловленная скоростью срезающего механизма до начала очистки дерева от сучьев) довольно быстро расходуется на совершение работы (кривые при V=1 м/с и V=2 м/с близки), и основная часть работы по срезанию сучьев совершается за счет энергии, получаемой срезающим механизмом во время его падения (т.е. уже после начала процесса очистки дерева от сучьев, при условии отсутствия ограничения на скорость со стороны лебедки).
Для сравнения также были проведены расчеты, когда поправочный коэффициент на угол срезания сучка aδ=0,7. Полученные результаты сравнения отражены на графике (рисунок 6).
Выводы
Исходя из полученных результатов, можно сделать вывод, что среднее значение массы необходимой для эффективного срезания сучьев на вертикально стоящем дереве с использованием инерционного разделяющегося грузозахватного механизма нисходящего типа движения может составлять 500 кг.
В случае использования грузозахватного механизма, с направлением очистки дерева от сучьев снизу вверх, за счет перемещения механизма подъемной силой аэростата, условия, при которых возможно срезание сучьев по направлению вверх, определяются сопоставлением подъемной силы аэростата за вычетом веса срезающего механизма (итого 30–40 кН) и силы, необходимой для срезания максимального по диаметру сука по формуле (11).
Результаты вычислений авторов
Рис. 5. Изменение скорости срезающего механизма в процессе очистки дерева от сучьев (сосна, d1,3 = 45 см, M= 500 кг): сплошная линия – V = 2 м/с, пунктирная линия V = 1 м/с
Рис. 6. График зависимости массы срезающего механизма от диаметра очищаемого дерева приaδ = 0,7 и aδ = 1
1. Abuzov A.V. Agroekologiya: formirovanie lesozagotovitel'nyh operaciy s uchetom ekologicheskih trebovaniy // Inzhenernaya ekologiya. 2012. №1(103). - S. 24 - 31.
2. Abuzov A.V., Bernotas R.V. Osobennosti lesozagotovitel'nogo processa pri vertikal'nom iz'yatii i transportirovke derev'ev vozdushnym sposobom // Filosofiya sovremennogo prirodopol'zovaniya v basseyne reki Amur: sb. dokl. Mezhdunar. Ekol. Seminara, Habarovsk, 6-8 maya 2015 g. / pod red. prof. P.B. Ryabuhina. - Habarovsk: Izd-vo Tihookean. gos. un-ta, 2015. - S. 67 - 71.
3. Anisimov G.M., Grigor'ev I.V., Zhukova A.I. Ekologicheskaya effektivnost' trelevochnyh traktorov.
4. Grigor'ev I.V., Zhukova A.I., Grigor'eva O.I., Ivanov A.V.Sredoschadyaschie tehnologii razrabotki le-sosek v usloviyah Severo-Zapadnogo regiona Rossiyskoy Federacii: Monografiya. - SPb.: LTA, 2008. - 174 s
5. Zalegaller B. G., Lastochkin P. V., Boykov S. P. Tehnologiya i oborudovanie lesnyh skladov - Uchebnik dlya vuzov. - 3-e izd., ispr., dop. - M.: Lesn. prom-st', 1984. - 352 s.
6. Red'kin A.K., Chuvelev A.Ya. Vybor lesoskladskih mashin i tehnologii v zavisimosti ot razmerno-kachestvennyh harakteristik obrabatyvaemogo syr'ya. M.: MLTI, 1981. - 76 s.
7. Patent na izobretenie №2135351 Rossiyskaya Federaciya, MPK B27L. Suchkorezno-okorochnoe ustroy-stvo dlya obrabotki stoyaschih derev'ev / Yakimovich S.B., D'yachkov O.E., Tkachenko V.Yu.; zayavitel' i patentoobla-datel' Mariyskiy gosudarstvennyy tehnicheskiy universitet; zayavl. 98112451/13 24.06.1998; data publ. 27.08.1999.
8. Patent na izobretenie №2233073 Rossiyskaya Federaciya, MPK A01G 23/083, A01G 23/08. Lesnoy kombayn / Yakimovich S.B., Red'kin A.K., Zorin A.N.; zayavitel' i patentoobladatel' Mariyskiy gosudarstven-nyy tehnicheskiy universitet, Moskovskiy gosudarstvennyy universitet; zayavl. 02.07.2002; datapubl. 27.07.2004.
9. Patent US 3638693, A01G 23/02. Forest harvester / Inventor: Ulf HjalmarSundberg; Pub. Date Feb. 1, 1972.
10. Patent US 6263932B1, A01G 23/095. Aerial tree harvesting apparatus / Inventor: Robert Chalifoux; Pub. Date Jul. 24, 2001.
11. Patent US 6672347B2, A01/095. Aerial tree delimbing apparatus / Inventor Ervin Ralph Tingstad; Pub. Date Jan. 6, 2004.
12. Patent US 4662414, A01G 23/08. Apparatus and method for collecting a tree top / Inventor: Helmut E. Fandrich; Pub. Date May 5, 1987.
13. Patent US 2009/0000698A1, A01G 1/50. Suspendable tree cutter having an adjustable orientation pivot / Inventor: Brian Beresford; Pub. DateJan. 1, 2009.
14. Grigor'ev I.V., Rudov S.E. Osobennosti ekspluatacii kolesnyh lesnyh mashin v slozhnyh pochvenno-gruntovyh i rel'efnyh usloviyah // Forest Engineering: materialy nauchno-prakticheskoy konferencii s mezhdu-narodnym uchastiem. 2018. - S. 67-71.
