Технологические процессы малообъемных лесозаготовок и метод их моделирования

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ МАЛООБЪЕМНЫХ ЛЕСОЗАГОТОВОК И МЕТОД ИХ МОДЕЛИРОВАНИЯ

А.В. МАТРОСОВ, ст. преп. каф. технологии и оборудования лесопромышленного производстваМГУЛ

Экономическая реформа выявила и оценила неэффективность многих решений в области технической политики в осуществлении лесопользования, в результате которой лесозаготовки пришли к началу реформ с технологиями, отличающимися высоким уровнем потребления трудовых, материальных и энергетических ресурсов. Сказанное относится и к формам организации лесопользования, когда лесозаготовительное производство было ориентировано на эксплуатацию лесных ресурсов преимущественно на базе крупных нижних лесопромышленных складов и лесовозных дорог с большими грузооборотами. Все эти объективно существовавшие причины, наряду с резким падением спроса на лесопродукцию на внутреннем рынке, создали целый ряд новых проблем в развитии лесопользования.

В России в результате реформ произошла реорганизация крупных лесозаготовительных предприятий, появлись новые лесопользователи с различными формами собственности. С одной стороны, возникли крупные вертикально-интегрированные компании, а с другой стороны, - небольшие предприятия, у которых лесозаготовки не являются основной сферой деятельности. В современных условиях в России функционирует около 3,5 тыс. специализированных лесозаготовительных, лесопильных и перерабатывающих древесину предприятий и около 33 тыс. различных фирм, занятых лесозаготовками, деревообработкой и торговлей продукцией из древесины. Средний объем лесозаготовок многих предприятий составляет не более 10-15 тыс. м3 [4, 7]. Предприятия имеют на своем оснащении как технику с большой долей ручного труда, так и современные лесозаготовительные машины отечественного и зарубежного производства.

В настоящее время основной объем лесозаготовок в России выполняется по хлыстовой технологии, однако ее доля по отношению к сортимен-тной технологии снижается. Это вызвано тем, что сегодня в России, как и во всем мире, наметилась устойчивая тенденция широкого распространения сортиментной технологии лесозаготовок.

Одной из причин, обуславливающих имеющееся положение дел, все же явилось то, что

технологический процесс лесозаготовительного производства в нашей стране в последние годы претерпевает существенные, коренные изменения. Сложившаяся технология вывозки хлыстов на нижний склад с последующей их раскряжевкой, доминирующая в основных лесозаготовительных регионах страны, нуждается в некотором пересмотре и во многих случаях замене другими технологическими процессами. Это определяется комплексной механизацией работ непосредственно в лесу, концепцией многоцелевого назначения лесов, возрастающими ограничениями на рубках главного пользования, опытом ведущих стран мира и предприятий различных регионов нашей страны, инфраструктурой предприятия, формой собственности, экологическими требованиями.

Существенное сокращение объемов сплошных рубок и расширение применения выборочных и постепенных рубок ставит лесопользователей в условия необходимости применения более совершенной технологии и техники, отвечающей лесоводственным и экологическим требованиям. В связи с этим возрастает интерес к сортиментной технологии лесозаготовок, позволяющей наиболее производительно механизировать эти виды рубок с учетом современных экологических требований. Одной из основных причин тенденции развития сортиментной технологии в мире являются успехи скандинавских машиностроителей, которые разработали и представили на рынок высокопроизводительные и надежные многооперационные машины для получения сортиментов на лесосеке.

Значительный интерес к сортиментной технологии проявляют и мелкие лесозаготовители, для которых эксплуатация высокопроизводительного и дорогостоящего нижнескладского оборудования неэффективна, поскольку малые объемы лесозаготовок и сезонность работ не обеспечивают круглогодовую загрузку стационарного лесоскладского оборудования [7]. Для таких предприятий не подходят системы лесозаготовительных машин, рекомендованные в 80-90 гг. и принципы их комплектования [6]. Для успешной работы предприятий с небольшими объемами лесозаготовок необходимо малогабаритное специализированное оборудование. Это стало осо-

бенно актуально в связи с поставками на отечественный рынок разнообразной зарубежной лесной техники и оснащением отрасли принципиально новыми лесозаготовительными машинами.

Технологический процесс сортиментной технологии заготовки отличается от привычной технологии хлыстовой заготовки расширенным комплексом технологических операций, выполняемых на лесосеке, и требует качественного изменения подхода к комплектованию системы лесозаготовительных машин при малообъемных лесозаготовках. Как показывает практика эксплуатации лесосечных машин и систем машин, функционирование их в разнообразных природных условиях с меняющимися характеристиками, разная степень надежности машин, техническая политика предприятия заставляют исследовать вопрос рационального выбора технологических процессов и систем машин для предприятий, ведущих малообъемные лесозаготовки.

С точки зрения особенностей лесопользования в малых объемах и повышения эффективности лесозаготовительного производства опыт ведущих стран мира по применению перспективных технологий и машин играет важную роль в вопросе ведения лесозаготовок отечественными предприятиями.

В западных странах лесозаготовительная технология переживает период определенной стабилизации. Преобладающая часть потребляемой промышленностью древесины заготавливается профессиональными лесозаготовителями. В странах с относительно большой долей мелких частных лесовладельцев деревоперерабатывающая промышленность потребляет также древесину, заготавливаемую силами самих лесовладельцев. При заготовке своими силами лесовладельцы применяют преиму-

щественно традиционный ручной способ заготовки, хотя доля машинизированной заготовки быстро возрастает. Все более популярными становится монтируемое на базе колесного сельскохозяйственного трактора лесозаготовительное оборудование, завоевывающее признание пользователей надежностью и относительной дешевизной [3].

В последние годы за рубежом при малообъемных лесозаготовках широкое применение находят малогабаритные многооперационные машины: непосредственно процессоры (рис. 1, а) и многооперационные машины манипуляторно-го типа. Производством малогабаритных многооперационных машин занимаются фирмы NIAB, Vitek, Hypro, Skogma и др. [8].

Трелевка древесины осуществляется фор-вардерами или колесными сельскохозяйственными тракторами с агрегатированным лесным прицепом, оснащенным гидроманипулятором. Использование сельскохозяйственных тракторов на перевозке сортиментов потребовало создание специальных лесовозных прицепов. Такой комплекс весьма широко применяется во всем мире для обеспечения многообразных лесозаготовительных операций (рис.1, б). Лебедки и трелевочные щиты, ранее широко применявшиеся лесовладельцами, почти полностью вышли из употребления [3]. Наибольшее распространение на лесозаготовках находят прицепы фирм Farmi Forest, Vreten, Farma, K.T.S Maskiner, Kesla и др.

В Скандинавских странах при малых по объему санитарных рубках и рубках ухода наряду с традиционным средством трелевки нашли применение лесохозяйственные машины, созданные на базе мотовездеходов, или малые универсальные минимашины (минитракторы), управляемые движением идущего впереди машины рабочего.

Рис. 1. Машины для малообъемных рубок: а) навесной процессор NIAB-5-15; б) сельскохозяйственный колесный трактор и лесовозный прицеп

Рис. 2. Оборудование для переработки круглых лесоматериалов: а) передвижная лесопильная установка; б) навесной процессор для получения колотых дров

В малообъемных лесозаготовках все большее распространение, особенно в странах Скандинавии, получает развитие технология вывозки с лесосек пилопродукции при выполнении определенных видов рубок. Это связано с появлением легких передвижных лесопильных установок (рис. 2, а), которые по своей эффективности вполне сравнимы со стационарными лесопильными рамами. Наряду с развитием передвижного лесопильного оборудования развивается выпуск оборудования для производства колотых дров (рис. 2, б). С этой целью используют навесные тракторные процессоры для производства дров в условиях лесосек или на небольших складах.

Во всем многообразии технологических процессов и машин, которые используются на лесозаготовках, видна явная тенденция в сторону совершенствования систем машин и технологических процессов лесосечных работ, основанных на природо- и ресурсосберегающих принципах. Многообразие этих процессов требует их сравнения и оценки в конкретных природно-производс-твенных условиях с учетом влияния техники на лесную среду. Важным направлением в конструировании лесосечных машин является уменьшение их массы и габаритов. Это хотя и не обеспечивает достаточного снижения стоимости в расчете на единицу продукции, однако удовлетворяет экологическим требованиям и удешевляет каждый механизм [3].

В силу природного происхождения леса, необходимостью его заготовки в сложных условиях природной среды, отличающейся крайней степенью разнообразия и изменчивостью как во времени, так и отклонениями параметров при-родно-производственных условий от средних значений, предьявляются особые требования к

проектированию, организации и управлению лесозаготовительным процессом на предприятиях с малым объемом лесопользования.

Заготовка древесины при малообъемных рубках имеет свои особенности: малый объем заготовки; различные варианты систем лесосечных машин; среднее расстояние трелевки; породный состав. Выход деловой древесины определяется не только природными условиями, но и видом рубок (рубки ухода, санитарные рубки, сплошные и т.д.). Чтобы выяснить производственную или экономическую эффективность системы машин при проведении малообъемных рубок для разных природно-производственных условий, разрабатывается математическая модель для имитации технологического процесса.

Небольшой объем заготовки при малообъемных рубках позволяет непосредственно на лесосеке удлинить технологическую цепочку производства и получать готовую продукцию не только в виде круглых лесоматериалов, но и в виде пиломатериалов, технологической и топливной щепы. Таким образом, можно выделить следующие технологические операции, выполняемые на лесосеке и верхнем складе: валку; трелевку; обрезку сучьев; раскряжевку; первичную подсортировку сортиментов по назначению и др. При рассмотрении перечисленных операций лесосечных работ видно, что любая из них состоит из двух процессов - поступления единицы сырья на обработку и собственно самой обработки.

Оба эти процесса можно рассматривать как потоки определенной интенсивности. Для первого процесса интенсивностью является величина, обратная промежутку времени между соседними поступлениями, а для второго - величина, обратная времени цикла. Все рассматривае-

мые операции, которые можно выполнять непосредственно на лесосеке, находятся в зависимости друг от друга, так как поток обслуживания на предыдущей операции образует входящий поток объектов труда для последующей операции. Для всего технологического процесса лесосечных работ входящий поток можно определить как деревья, предназначенные к валке, а выходящий - как круглые лесоматериалы или пиломатериалы.

При рассмотрении промежутков времени между поступлениями отдельных предметов труда к месту обработки и продолжительности самой обработки можно заключить, что они случайны, так как определяются многими факторами, часто неподконтрольными человеку. Размещение деревьев на лесосеке, различная густота подроста и другие случайные факторы делают промежуток времени перехода вальщика от дерева к дереву непостоянным. Различный диаметр деревьев в месте спиливания, затупление пильной цепи при работе, непостоянная скорость надвигания пильного аппарата во время пиления, зависящая, кроме объективных показателей, и от усилия вальщика, также приводят к переменному времени цикла валки. В других операциях технологического процесса также существуют известные случайные факторы.

Если рассматривать технологический процесс лесосечных работ как систему, обслуживающую (обрабатывающую) поток заявок (деревьев) на основании теории массового обслуживания, то можно отметить, что такая система является многофазной с ожиданием между фазами и без ожидания на входе. Число фаз определяется количеством несовмещенных операций. Кроме того, если на одной фазе параллельно работают несколько рабочих, то система является многоканальной. В упрощенном случае поток предметов и время обработки на каждой операции можно рассматривать как простейший, без последействия. Для простейшего потока распределение величин промежутков времени между поступлениями предметов труда и их обработкой подчиняется показательному закону. Показательный закон имеет только один параметр - математическое ожидание используемой величины. В данном случае это время цикла на определенной операции и промежуток времени между поступлениями предметов труда. В связи с тем, что исследуется эффективность технологии малообъемных рубок для разных природных условий, среднее время цикла об-

работки на операции необходимо рассматривать как функцию от случайных значений параметров предмета труда

I = / ^); т = /У, I );

тр «/ 4 п~ ср''

Тоб = / к, р); Т = /Ш , d , I , р),

раск «/ 4 ср~ сор ' сор ~ г

где I, I , I,, t

^ в~ тп~ об~ VI

среднее время цикла на опе-

рациях валки, трелевки, обрезки сучьев, раскряжевки; dср - диаметр конкретного дерева в месте спи-

ливания; I - среднее расстояние трелевки; Уп - объем трелюемой пачки; р - порода;

d и I - диаметр и длина сортиментов.

сор сор 1 1

Вычисляемые временные показатели tв, tтp, ^б, tраск являются параметрами для показательного закона распределения случайных значений промежутков времени продолжительности операции.

Для имитации производственного процесса необходимо определить потоки обслуживания и поступления объектов труда на каждой фазе лесосечных работ. Цикл обслуживания (обработки) складывается из двух величин: времени машинной обработки и вспомогательного времени цикла (внецикловые потери). В приложениях теории массового обслуживания часто допускается включать во время цикла обработки потери времени на неожиданные отказы оборудования, отнесенные к числу циклов. Внецикловые потери времени можно разделить на регламентируемые (отдых, обслуживание машин и т.д.) и нерегламен-тируемые, которые включают, кроме технических неисправностей, простои по организационным причинам технологического характера. Прежде всего, это отсутствие объектов труда из-за неритмичности работы на соседних операциях. Эти потери времени предполагается выявить в процессе моделирования.

Для эффективного функционирования технологического процесса малообъемных рубок, включающего достаточно большое количество операций, как в данном случае, требуется согласованность работы механизмов и операторов на каждой фазе (операции) процесса. Оценить эффективность работы на каждой операции и системы в целом можно с помощью показателей производитель-

ности по сырью, измеряемой количеством обработанных предметов труда (деревьев, сортиментов и т.д.) в кубометрах или штуках в единицу времени и использованием рабочего времени смены. Кроме того, для всей системы можно использовать показатель количественного выхода продукции по видам ассортимента и среднюю загруженность механизмов и операторов по операциям.

Таким образом, для определения оценочных решений по выбору (в количественном и качественном смыслах) комплекта лесосечных машин для небольших предприятий необходимо учитывать:

- возможность реализации расширенного спектра технологических процессов на лесосеках по виду вывозимой древесины (помимо заготовки и вывозки хлыстов или сортиментов может осуществляться вывозка пилопродукции, щепы и колотых дров; могут быть реализованы комбинированные ТП);

- многообразие технологий и принципов работ в связи с реализацией различных способов рубок, уровней воздействия на среду;

- формирование систем машин, обеспечивающих заготовку леса с высокой эффективностью в широком диапазоне природно-произ-водственных условий и с учетом проведения как рубок главного пользования, так и рубок ухода;

- возможность обеспечения концентрации лесосек на арендуемых площадях;

- учет экологических аспектов лесопользования в виде ограничений, а в перспективе - точных количественных оценок степени повреждаемости остающегося древостоя, степени повреждаемости и уплотнения грунтов, доли заготавливаемой на лесосеке биомассы, степени сохранения ареалов элементов флоры и фауны;

- необходимость сохранения возможно более высокого уровня эффективности лесозаготовительного производства.

Библиографический список

1. Лесной кодекс Российской Федерации. Принят Государственной Думой 22.01.1997. - М.: ВНИИЦлесре-сурс, 1997. - 66 с.

2. Зарубежные машины и оборудование для лесозаготовок и лесовосстановления: учеб. пособие / под редакцией проф. А.К. Редькина. - М.: МГУЛ, 2006. - 238 с.

3. Йори Ууситало. Основы лесной технологии / Йори Уу-ситало. - Йоэнсуу: Oy FEG - Forest and Environment Group Ltd, 2004. - 228 с.

4. Карпачев, С.П. Конкурентоспособные технологии малообъемных рубок. Тракторный процессор / С.П. Карпачев // Лесопромышленник. - 2004. - № 1. - С. 12-15.

5. Редькин, А.К. Математическое моделирование и оптимизация технологий лесозаготовок: учебник для вузов / А.К. Редькин, С.Б. Якимович. - М.: МГУЛ, 2005.- 497 с.

6. Система машин для комплексной механизации лесозаготовительного производства на 1986-1990 гг.: Нормативно-справочное издание. - Химки, 1986. - 148 с.

7. Ширнин, Ю.А. Технология и оборудование малообъемных лесозаготовок и лесовосстановления: учебное пособие для вузов / Ю.А. Ширнин, Ф.В. Пошарников. - Йошкар-Ола: МарГТУ, 2001. - 398 с.

8. Материалы фирм Farmi Forest, Vreten, Farma, K.T.S Maskiner, HYPRO, NIAB, Husqvarna и др.