Введение к работе
Актуальность темы. В условиях перехода к рыночной экономике в значительной степени обострилась проблема непрерывного неистощи-телыюго лесопользования. По данным Федеральной службы лесного хозяйства, сократились и без того небольшие, существовавшие ранее ресурсы, направляемые на лесовосстановительные мероприятия. В то же время объективно продолжается развитие промышленных методов лесозаготовок, их интенсивное воздействие на окружающую среду снижает способность леса к самовозобновлению. Это приводит, в свою очередь, к необходимости развивать технологию лесовосстановитель-ных работ (ТЛВР).
Первое направление в ТЛВР, назовем его традиционным, предполагает приспособление среды, образовавшейся после лесозаготовки, к работе агрегатов, конструкция которых заимсгвована из сельского хозяйства. Второе направление - максимальное сохранение среды и создание лесокультурных агрегатов, работоспособных в условиях естественных препятствий (пни и т.п.) на вырубках.
При любом варианте ТЛВР расходуются ресурсы — трудовые, энергетические, овеществленные в машинах и материалах. К ресурсам можно отнести также продуктивные свойства почвы, время и информацию, участвующие в ТЛВР. Денежная их оценка зависит от конъюнктуры, например, соотношение низкой стоимости труда и высокой стоимости машин, сложившееся в лесном хозяйстве на современном этапе, не отражает общественно необходимых затрат на лесовосстановление с учетом длительности его цикла.
Для оценки эффективности вариантов ТЛВР предлагается критерий - прямая экономия одного или нескольких видов ресурсов при условии достижения цели — создание ценных молодняков. Заметим, что сбережение ресурсов снижает техногенное воздействие на природные объекты.
Л.-тп Рргпуйтттгтт К":іррттмч п тгптпроіі ПТ.1ПГЩНЯППСТ, НаСТОЯІІЮЯ РЗ-
бота, проблема непрерывного неисющителыюго лесопользования весьма актуальна. В лесном комплексе и обслуживающем его машиностроении занято около трети населения Карелии, а объем валовой продукции достигает 54%. Природные факторы - преобладание вырубок с количеством пиен более 600 шт/га и каменистыми почвами, а также приграничное расположение создают жесткие условия для
проверки эффективности и конкурентоспособности вариантов ТЛВР.
Машины и технологии лесовосстановительных работ, хороню зарекомендовавшие себя в Карелии, можно успешно применять на всей территории Европейско-Уральской части Российской Федерации и в других регионах.
Цель работы. Повысить эффективность лесовосстановительных работ на основе ресурсосберегающей технологии и оптимизации проектных решений комплекса машин для ее реализации.
Объекты и методы исследований. В качестве основных объектов ТЛВР исследовались реальные вырубки по всей территории Республики Карелия, а также отдельные участки в Лисинском и Сиверском лесхозах Ленинградской области. Формирование базы данных по распределению препятствий в лесокультурном слое почвы выполнялось опытно-статистическим методом, на поверхности вырубок -съемкой планов пробных площадей. Прогнозирование работоспособности лесокультурных агрегатов на вырубках в условиях случайных препятствий осуществлялось определением статистической вероятности отказов путем моделирования движения агрегатов на персональном компьютере типа IBM в интерактивном режиме.
При разработке ресурсосберегающей технологии выращивания крупномерного посадочного материала для лесовосстановления исследовались питомники Сопоха и Вилга на территории соответственно Кондопожского и Приоиежского районов Республики Карелия. Характеристики почвы и растений определялись в полевых и лабораторных условиях методами прямых измерений в реальном диапазоне величин.
Механическими объектами исследований являлись: л>нкообразо-ватсль Л-2 для посадки лесных культур, опытные образцы сеялки СВУ-1,2 и корнеподрезчика ПК-1,2 для лесных питомников, лабораторные установки с рабочими органами машин. Для оптимизации процессов работы машин использовались преимущественно классические механико-математические методы моделирования. Исследование равномерности рассеивания семян СВУ-1,2 проводилось методом полнофакторного эксперимента.
Паучнан новизна заключается в разработке:
системного подхода к комплексному освоению лесной площади на основе единой подготовка ее для лесоэксплуатации и лесовосстановительных работ;
методов исследования вырубки и формирования базы данных по
распределению случайных препятствий в почве и на ее поверхности по группам типов леса, лрогнозирования работоспособности лесокуль-турных агрегатов;
моделей формирования микроструктуры почвы фрезерным сошником с учетом саморазрушения стружки при сходе с ножа и расходования семян под действием вибрации при разбросном посеве в лесном питомнике;
рациональной схемы движения агрегатов по вырубке с учетом вероятности безотказной работы и размерных характеристик высаживаемых растений;
моделей процесса работы перспективной машины для формирования компактной корневой системы посадочного материала в процессе выращивания в лесном питомнике с оптимизацией основных проектных параметров;
-технических решений, выполненных на уровне изобретений. Основные научные положения, выносимые на защиту:
ресурсосберегающая технология лесовосстановительных работ и методы ее эффективного использования;
математические модели для научно обоснованного выбора проектных параметров системы машин для реализации ресурсосберегающей технологии;
закономерности управляемого потока частиц почвы от фрезерного сошника сеялки для лесных питомников и распределения семян вибрационным способом при разбросном посеве;
модели образования посадочного места в почве лункообразова-телем динамического типа;
- механика процесса формирования компактной корневой сис
темы при выращивании без перешколивапня посадочного материала
для лесных культур;
" коїшілана повыл (на уриыи изиОрипшн) машин, ul.luu^iuluha ресурсосберегающую технологию и рекомендации по его проектированию, изготовлению и применению.
Практическая значимость работы. Использование на практике прямого сбережения ресурсов открывает новое направление т эффективном сочетании интересов лесоэксплуатации п лесовосстановления, а также в лесохозяйственном машиностроении:
- технология комплексного освоения лесной плошали обеспечи
вает возможность рационального использования всех ее ресурсо;-. и
восстановление насаждениями плантационного типа без дополнительных затрат по сравнению с обычными лесными культурами;
результаты исследований вырубок по новой методике и прогнозирования работоспособности лесокультурных агрегатов опровергают существующее представление о невозможности проведения механизированных работ по лесовосстановлению на завалуненных площадях с количеством пней более 600 шт/га без предварительной раскорчевки;
сформированная база данных по вырубкам в Республике Карелия позволяет оценить оптимальное соотношение размерных характеристик посадочного материала из условия размещения корневой системы по глубине, а также выбрать рациональные схемы движения лесокультурных агрегатов;
применение динамического лункообразователя для создания лесных культур до минимума сокращает затраты энергии и вероятность отказов по условиям выполнения работ в сравнении с любым типом известных рабочих органов и создает благоприятные условия для размещения и заделки корневой системы растений;
применение сеялки для разбросного и широкобороздкового посева в лесном питомнике в сочетании с машиной для формирования компактной корневой системы позволяет выращивать без перешколи-вания укрупненный посадочный материал, по качеству соответствующий саженцам, а по затратам ресурсов на производство - обычным сеянцам хвойных пород;
разработанные рекомендации для выбора проектных параметров, методики расчета и конструктивные решения при создании комплекса машин для ресурсосберегающей технологии обеспечивают возможность изготовления машин па любых заводах лесной отрасли, включая ремонтно-механические;
все машина предлагаемого комплекса агрегатируются с широко распространенными тракторами класса 14 кН типа МТЗ-80/82 "Беларусь", использование гусеничных тракторов типа ЛХТ-55 предполагается только на вырубках с пониженной несущей способностью почвы;
внедрение в производство организационных и технических мероприятий ресурсосберегающей технологии лесовосстановптельных работ не требует существенной перестройки производственного процесса лесных предприятий с учетом перспектив развития отрасли.
Реализация работы. На первом этапе исследования выполнялись
автором в составе творческого коллектива под руководством профессора Орлова С. Ф. и доцента Помогаева С. А. в Ленинградской ордена Ленина лесотехнической академии им С. М. Кирова (ЛТА) по заданию 0.53.029 "а" проблемы 0.53.025 (СЭВ) в соответствии с постановлением № 400 Государственного комитета Совета Министров СССР по науке и технике от J5.10.70 г. и завершились выпуском в 1975 г. опытном партии лесопосадочных машин ЛТУ-І на Великолукском заводе "Лссхозмаш".
С 1976 г. работа выполнялась по программам технического перевооружения отрасли по заданию Минлесхоза РСФСР в Петрозаводском государственном университете (ПетрГУ) в качестве головной организации при участии ЛТА, Ленинградского НИИ лесного хозяйства (ПетерНИИЛХ), Карельского НИИ лесной промышленности (КарНИИЛП) и Карельского научного центра Академии Наук СССР (КНЦ РАН). В настоящее время исследования продолжаются в рамках региональной научно-технической программы "Приграничная Карелия" по заказу Госкомвуза и Миннауки Российской Федерации, Минэкономики и Государственного комитета по лесу Республики Карелия.
Промышленное изготовление лункообразователей для посадки лесных культур освоено Петрозаводским ремонтно-мехапическнм заводом (ПРМЗ), к настоящему времени выпущено и реализовано 55 штук Л-2 и 10 штук усовершенствованной модели Л-2У.
Использование Л-2 началось с 1988 г. в Прионсжском, Пряжинс-ком, Кондопожском и Пудожском районах Республики Карелия. Прототип Л-2У был изготовлен на Вырицком ОМЗ по договору с ПетрГУ и применялся на посадках леса в 1989 г. в Сиперском и Лисин-ском лесхозах Ленинградской области под маркой Л-22.
Совместно с КНЦ РАН изданы "Рекомендации по производству лесных культур крупномерным посадочным материалом с использованием луикообриэоиптеля Л 2" (1Q87 г). "Расцетно.техналпгичрпгир карты для производства культур хвойных пород на вырубках с использованием лункообразователсй Л-2 и Л-22 "(1990 г.) и методические рекомендации "Новая технология и машины дія выращивания посадочного материала хвойных пород без перешколпвания" (1995 г.)
Опытный участок для отработки элементов комплексной технологии освоения лесных площадеіі заложен в Шупско-Виданском КЛПХ на территории Пряжинского района в 1987 г.
Модельный участок для наблюдений за ходом роста культур, но-
саженных крупномером под лункообразователь Л-2, заложен в Кондо-пожскомКЛПХв 1988 г.
Вибрационная разбросная сеялка СВ-1,2 для лесных питомников была изготовлена в ПетрГУ в 1990 г., опытный участок для выращивания укрупненного посадочного материала засеян с ее применением в лесопитомнике Сопоха Кондопожского КЛПХ в 1991 г. Усовершенствованный образец сеялки СВУ-1,2 изготовлен на ПРМЗ в 1992 г. в качестве головного для опытной партии машин.
Агрегат для формирования компактной корневой системы посадочного материала ПК-1,2 (подрезчик корней) изготовлен на ПРМЗ в 1992 г., прошел успешные испытания в лесопитомнике Вилга Прионеж-ского района в 1993 г., в 1995 г. изготовлен усовершенствованный образец ПК-1,2, который после испытаний был передан заказчику для про-пзводствеїшой эксплуатации. На ПРМЗ завершена подготовка к промышленному выпуску новых, машин.
Всего с 1988 по 1995 гг. по разработкам ПетрГУ изготовлено на ПРМЗ 68 штук лесохозяйственных машин для реализации ресурсосберегающей технологии лесовосстацовителькых работ.
Основные научные положення внедрены при проектировании, конструировании и изготовлении комплекса новых машин на ПРМЗ и доработке их в ходе производственных испытаний и эксплуатации в Республике Карелия. Результаты исследований, в проведении которых участвуют студенты ПетрГу, используются в преподавании ряда учебных дисциплин для лесных и экономических специальностей, а также при повышении квалификации работников лесного комплекса Карелии.
Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались на Международной научно-технической конференции "Лес, окружаюшач среда и новые технологии в Северной Европе" в г.Петрозаводске в 1993 г., на семи научно-технических конференциях по проблемам лесного комплекса Республики Карелия в период 1981-1995 гг., при рассмотрении трех отчетов о выполненных НИР на заседаниях Ученого Совета ПетрГУ.
Лесопосадочная машина ЛТУ-І экспонировалась в 1974 г. в Ленинградском филиале Центральной выставки НТТМ-74 ВДНХ СССР и была удостоєна Золотой медали. Разработка "Лункообразователь -Т-І" демонстрировалась на Всероссийской выстазке "Человек и окружающая среда" в г. Петрозаводске в 1982 г., отмечена Дипломом 11
степени. Лункообразователь Л-2 экспонировался на ВДНХ СССР в павильоне "Лесное хозяйство" в г. Москве в 1987 г. и был удостоен Бронзовой медали.
Сеялка СВУ-1,2 и корнеподрезчнк ПК-1,2 демонстрировались на республиканских выставках и совещаниях-семинарах специалистов лесного комплекса Республика Карелия в 1991-1994 гг.
В закопченном виде диссертационная работа рассматривалась на кафедре Проектирования специальных лесных машин Санкт-Петербургской лесотехнической академии в мае 1995 года и на кафедре Технологии и оборудования лесного комплекса Петрозаводского университета в ноябре 1995 г.
Публикации. Основное содержание диссертации изложено в 50 печатных работах, в том числе в 24 авторских свидетельствах и патентах на изобретения. Результаты исследований отражены в 4 научно-технических отчетах НИР, выполненных под руководством и при участии автора.
Объем работы. Диссертация состоит из введения, 7 разделов, выводов и рекомендаций, списка использованных источников, включающего 150 наименований. Общий объем работы - 299 с, включающий 247 м.п.л., 67 рис., 24 табл., приложение на 1 с.