The analysis of the logging machine systems for development of the mountain forests according to the criteria of productivity and economic efficiency

УДК.630.323 АД. Кравец, Е.В. Луценко, П.Б. Рябухин

АНАЛИЗ СИСТЕМ ЛЕСОЗАГОТОВИТЕЛЬНЫХ МАШИН ДЛЯ ОСВОЕНИЯ ГОРНЫХ ЛЕСОВ ПО КРИТЕРИЯМ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ И ЭКОНОМИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ

Для решения научно-практической задачи внедрения машинно-аэростатных систем лесосечных машин впервые разработана полная аналитическая модель их функционирования по критерию производительности. На основе разработанной модели выполнена сравнительная технико-экономическая оценка машинно-аэростатных систем и других возможных технологий освоения крутых склонов горных лесных массивов и доказана ее эффективность.

Ключевые слова: лесные массивы, склоны, аналитическая модель, машинно-аэростатные системы, производительность, экономическая эффективность.

АД. Kravets, E.V. Lutsenko, P.B. Ryabukhin THE ANALYSIS OF THE LOGGING MACHINE SYSTEMS FOR DEVELOPMENT OF THE MOUNTAIN FORESTS ACCORDING TO THE CRITERIA OF PRODUCTIVITY AND ECONOMIC EFFICIENCY

In order to solve the scientific and practical task of the introduction of machine-aerostat systems of the logging machines, the full analytical model of their functioning according to the criterion of productivity is developed for the first time. On the basis of the developed model the comparative technical and economic estimation of the ma-chine-aerostat systems and other possible technologies for development of the mountain woodland slopes is made and its efficiency is proved.

Key word: woodland, slopes, analytical model, machine-aerostat systems, productivity, economic efficiency.

В соответствии с действующим Лесным кодексом РФ заготовка древесины с использованием трелевочных тракторов на участках свыше 20 градусов запрещена. Это приводит к проблемам организации процесса трелевки древесины на крутых склонах, фактически оставляя только два возможных варианта технологий освоения горных лесосек: 1) на базе канатных установок; 2) с использованием летательных аппаратов.

В связи с этим задача поиска эффективной системы машин для реализации лесосечных работ в горных лесных массивах становится актуальной. Как показали исследования А.В. Абузова [1-7], на Дальнем Востоке одной из наиболее эффективных систем лесозаготовительных машин (ЛЗМ) для освоения крутых склонов является система на базе аэростатно-канатной установки (АКУ) и бензиномоторной пилы. Однако данная технология имеет ряд недостатков, в связи с чем авторами статьи предложена система на базе АКУ и валочно-пакетирующей машины (ВПМ). Предлагаемая система может работать как с одной приводной лебедкой, позволяющей аэростату перемещаться в двух направлениях, так и с двумя лебедками, объединенными одним пультом управления и позволяющими аэростату перемещаться в любом направлении. Схема реализации процесса лесосечных работ по данной технологии представлена на рисунке 1.

Производительность предлагаемой комбинированной машинно-аэростатной системы будет определяться производительностью установки, выполняющей транспортировку сформированных пачек деревьев от ВПМ до погрузочного пункта.

Рис. 1. Технологическая схема лесосечных работ на базе системы ВПМ + АКУ:

1 - опорное дерево; 2 - вырубка; 3 - граница пасеки; 4 - пачка деревьев, сформированная ВПМ;

5 - аэростат; 6 - мобильная лебедка; 7 - ВПМ; 8 - магистральный волок; 9 - полоса безопасности;

10 - растущий лес; 11 - чокеровщик; 12 - лесовозный ус; 13 - штабель деревьев; 14 - заездной волок;

15 - направление движения чокеровщика

В настоящее время не существует полной аналитической модели определения производительности АКУ. Некоторые неполные модели предложены в работе [8].

В качестве базовой методики для разработки модели функционирования аэростатно-канатной системы по критерию производительности был выбран аналитический подход, предложенный в работе В.Н. Меньшикова [9]. Основой расчета производительности ВПМ послужили исследования Е.В. Луценко [10] .

Согласно полученной модели, время, затрачиваемое АКУ на разработку лесосеки, определяется формулой

где Тм

г, Т

М.АКУ * ДМ.АКУ

- время на монтаж и демонтаж АКУ на расчетном участке, с;

дер- время, затрачиваемое на трелевку всех деревьев на расчетном участке, с.

Время на монтаж системы на расчетном участке, будет описываться формулой

л

Т =—*Т +Т

М.АКУ д м.л. пол. ’

где Тж л - время монтажа АКУ на одной разрабатываемой ленте, с;

Тпол - время монтажа на расчетном участке, с.

Время на демонтаж системы на расчетном участке также определяется по формуле (2), где время монтажа установки заменяется временем демонтажа.

Время монтажа и демонтажа АКУ на расчетном участке определяется по формулам (3) и (4):

Т„ол ~ ^Ф.Л + 1'М\ + 1'Ы2 + ^А/3 + 4 + ^М5 ’

где гФЛ - время на установку лебедки, с;

гМ1 - время на монтаж первого опорного блока, с;

?М2 - время на переход работников ко второму опорному блоку и его фиксации, с;

/мз - время на переход работника с монтажным тросом к третьему опорному блоку и время перехода работников с монтажным оборудованием (параллельность операций), с;

?М4 - время на запасовку грузового троса, с;

/М5 - время на монтаж аэростата, с (определяется техническими характеристиками).

Т'дм.ку ~ їДМ\ їЩ2 ЇДМЪ їЩ4 ’ №

где 1 - время на постановку аэростата на якорную стоянку, с;

і т 2- время на переход к опорному блоку, с;

з - время сматывания каната, с; і т 4- время на демонтаж опорного блока, с.

Время на фиксацию АКУ определяется по формуле

їф.Л — ІфМ.Р

2'1У-Р.КУ •КУ.Р , 1 дг

у ^‘З.Р.КУ 1УР.КУ ’

"П.Р.У.Р )

где їфм р - время фиксации мачты в рабочем положении, с;

Ьурку - расстояние на котором устанавливается растяжка при фиксации мачты АКУ, м;

КуР - коэффициент увеличения пути, проходимого работником за счет обхода естественных препятствий;

^рур - средняя скорость перехода работника при установке растяжек, м/с;

^зр ку - время, затрачиваемое на зацепку одной растяжки для фиксации мачты, с;

Nрку - количество растяжек для фиксации мачты.

Время на установку первого опорного блока определяется по формуле

^1= С+'»'

где (- время перемещения работника с монтажным тросом, с;

- время на заведение монтажного троса за опорный блок, с.

Время на переход работника ко второму блоку с монтажным тросом и время перехода работника с монтажным оборудованием (в виду параллельности выполнения во времени некоторых операций) определяется по формуле

А

{М2 = уМ.т ' Ку,,

у пер

где А - ширина лесосеки, м;

УМрт - скорость перехода работника с монтажным тросом по лесосеке, м/с.

Время на переход к третьему блоку работника с монтажным тросом и работника с монтажным оборудованием (ввиду параллельности выполнения во времени выполнения операций) определяется по формуле (8).

ТУ

1мъ = мм. 'Ку.р>

пер

где В - ширина лесосеки, м;

Упер™ - скорость перехода работника с монтажным тросом по лесосеке, м/с.

Время на установку АКУ на ленте определяется по формуле (9).

Я я

і = — + і°б+Ґлб + Ґп+і + ґбр + — .гр,

м.л Т/гх. д.м пер мон зав от -гт У-Р ' '

пер пер

где ґм л- время перемещения по ленте, с;

ґбр - время отхода работника на безопасное расстояние, с;

?зав - время заводки каната через блок, с; ґ Лер у - время перехода работника к подножию склона, с;

С/ - время перехода работника к следующему блоку, с.

Время перехода работника до следующего блока определяется формулой

пер

где А - ширина пасеки (ленты), м;

¥Мро - скорость перемещения работника с монтажным оборудованием, с.

Время, затрачиваемое на запасовку грузового каната, определяется формулой

2В + А + Ь

і ----------------—

М4 V ’

У с.к

где Ьзк - дополнительная длина каната для обеспечения полной его запасовки через блоки, м;

¥ак - скорость сматывания каната лебедкой;

Ьтку- длина трассы канатной установки, м.

При демонтаже АКУ затраты времени на переход работников к опорному дереву определяются по формуле (8) (в которую вместо скорости перехода работника с монтажным тросиком подставляется скорость холостого перехода рабочего по лесосеке).

Время на демонтаж растяжек и опорного блока и на переход работника от опорного дерева к АКУ с монтажным оборудованием рассчитывается по формуле

І ДМ А - І О.Б + Т/-ГКУ ' Ку.р і

'П М .О

где їОБ - время, затрачиваемое на отцепку опорного блока, с;

Уям 0- скорость перехода работника с монтажным оборудованием по лесосеке.

При демонтаже растяжек АКУ и фиксации ее мачты в транспортном положении затраты времени определяются по формуле (5) (в которую вместо времени фиксации мачты установки подставляется время на ее установку в транспортное положение, а вместо времени крепления растяжки - время ее снятия).

Время трелевки всех деревьев на расчетном участке определяется по формуле

Тт.ДЕР ^Т.ДЕР.В Тт.ДЕР.ПП'

где Тт ДЕР в, Тт ДЕР в - время трелевки всех пачек деревьев сформированных со следа ВПМ и полупасек.

Время трелевки всех деревьев, сформированных со следа ВПМ и с полупасек, определяется по формуле

Т =Т ------------------—

1 Т. ДЕР.Л 1 Т.П. ДЕР у ' ' '

М АКС ’^Р

где Тт п дер - среднее время трелевки одной пачки деревьев, с;

л - объем заготавливаемой древесины (на волоках или полупасеках), м3;

МАКС - объем пачки деревьев, трелюемой АКУ, м3;

- коэффициент использования рейсовой нагрузки аэростата, с.

МАт=К-Чхл,

где - количество чокеров, шт.; дхл - средний объем хлыста, м3.

Среднее время трелевки одной пачки деревьев определяется по формуле

Тт.П.ДЕР — ^Т.ДЛ ^Т.д.2 ^Т.Д.З ^Т.ДА ^Т.Д.5 ’

где ^ д 1 - время натяжения грузового каната для перемещения аэростата, с;

д 2 - среднее время перемещения аэростата к месту формирования пачки, с;

^ д 3 - среднее время формирования пачки, с;

Д4 - время трелевки пачки деревьев, с; д 5 - время отцепки пачки деревьев, с.

Среднее время перемещения аэростата к месту формирования пачки определяется по формуле

В

1 Т.Д.2 ~ 77 ’

У хх

где Ухх - скорость холостого хода АКУ, м/с.

Среднее время формирования пачки определяется по формуле

М- ТГ ЛгКр 1^г

1Т.Д.З 1О.К ^ 1Ч.Д „

Ч ХЛ уО.Б.Р

^ ^ .i 1У1К.У.Р I ^О.Б.Р /ио\

Т.Л.З ~ О.К ~*~1ЧЛ ' "Г > V |0/

где - время опускания каретки для зацепки пачки деревьев, с;

1Ч д - среднее время чокеровки одного дерева, с;

^о.б.р - расстояние на которое должен отойти чокеровщик после зацепки пачки, м;

^обр - скорость отхода работника на безопасное расстояние, м/с.

Время трелевки пачки деревьев определяется по формуле

і = 1Т.КУ м™

Т .ДА от/’ и 1

^ ' У ГХ

где Угх - скорость рабочего хода АКУ, м/с.

Время отцепки пачки деревьев определяется по формуле

^Т.Д.5 = ^'о.Ч. ' + ^О.А. ,

где (оч - время отцепки чокера, с;

А - среднее время опускания аэростата, с;

- количество пачек деревьев, заготовленных на расчетном участке.

На основе полученной аналитической модели в триал-версии системы МаШСаС с использованием источников [11] и [12] была разработана программа для определения производительности и экономической эффективности функционирования рассматриваемой системы машин.

Для сравнительной оценки были выбраны следующие системы машин для освоения крутых лесных склонов:

СМ-1 - бензомоторная пила (б/п) + аэростатно-канатная система с чокерной оснасткой и одной лебедкой (АКУ - 1-л.) + процессор (ПР) + погрузчик манипуляторного типа (ПМТ);

СМ-2 - б/п + аэростатно-канатная система с чокерной оснасткой и двумя лебедками (АКУ - 2-л.) + ПР

+ ПМТ;

СМ-3 - ВПМ + трелевочный трактор манипуляторного типа (ТТМ) + ПР + ПМТ;

СМ-4 - ВПМ + АКУ - 1-л. + ПР + ПМТ;

СМ-5 - ВПМ + АКУ - 2-л. + ПР + ПМТ;

СМ-6 - б/п + мобильная канатная установка + ПР + ПМТ.

Исследования проводились с использованием статистической базы лесорастительных условий лесозаготовительного предприятия ОАО «Горинский КЛПХ».

Результаты сравнительного анализа рассмотренных систем машин по исследуемым критериям представлены в таблице и на рисунке 2.

Результаты технико-экономической оценки эффективности вариантов систем лесосечных машин

Система машин Производительность, м3 Эксплуатационная себестоимость, руб/м3 Удельные капитальные вложения, руб/м3 Приведенные затраты, руб/м3

СМ-1 8,8 311 317 357

СМ-2 10,0 331 397 389

СМ-3 18,8 258 392 317

СМ-4 11,1 293 342 342

СМ-5 13,2 300 363 354

СМ-6 8,6 258 757 425

в

г

Рис. 2. Результаты технико-экономической оценки систем машин для освоения крутых склонов: а - производительность, м3; б - себестоимость эксплуатации, руб/м3; в - удельные капитальные вложения, руб/м3; г - приведенные затраты, руб/м3

Как следует из полученных результатов оценки по основному критерию сравнительной экономической эффективности - приведенным затратам, наиболее эффективной из рассматриваемых систем машин является система СМ-3. Машинно-аэростатные системы машин СМ-4 и СМ-5 имеют экономическую эффективность ниже на 7,9 и 11,6 % соответственно, но их эксплуатация позволяет существенно снизить лесово-дственно-экологическую нагрузку на древостои, при этом их экономическая эффективность выше, чем у системы на базе мобильной канатной установки (СМ-6) на 24,2 и 20% соответственно.

Выводы

1. Внедрение комбинированных машинно-аэростатных систем лесосечных машин позволит снизить экологическую нагрузку, выполнять трелевку на крутых склонах с соблюдением установленным законодательных ограничений и повысить экономическую эффективность разработки крутых склонов горных лесных массивов Дальнего Востока.

2. Полученная аналитическая модель функционирования машинно-аэростатной системы по критерию производительности позволяет повысить эффективность анализа и проектирования технологических процессов освоения крутых склонов горных лесных массивов.

Литература

1. Российская Федерация. Законы. Лесной кодекс: федер. закон: [принят Гос. Думой 08.11.2006 г.]. - М., 2007.

2. Абузов А.В. Перспективы внедрения и эксплуатации современных аэростатных систем трелевки // Наука - Хабаровскому краю: мат-лы 8-го краевого конкурса-конф. молодых ученых и аспирантов. -Хабаровск: Изд-во ТОГУ, 2006. - С. 144-154.

3. Абузов А.В. Патент на полезную модель № 31481 // Аэростатно-тросовая система для трелевки леса и перемещения груза: Государственный реестр полезных моделей РФ. - 2003.

4. Абузов А.В., Рябухин П.Б. Аэростатические аппараты и их применение в лесной промышленности // Вопросы совершенствования технологий и оборудования в лесопромышленном комплексе и строительстве: юбил. сб. науч. тр. Дальневосточ. лесотехн. ин-та. - Хабаровск: Изд-во Хабар. гос. техн. унта, 1998. - С. 75-80.

5. Абузов А.В. Целесообразность применения аэростатов на лесозаготовках // Воздухоплаватель / Федерация Воздухоплавания России. - М., 2000. - Вып. 3(21). - С. 36-38.

6. Аэростатные системы трелевки - второе рождение // Лесн. вестн. - М.: Изд-во МГУ, 2006. - Вып. 1 (43). - С. 78-84.

7. Абузов А.В., Рудица К.В. Экспериментальные исследования аэростатно-канатной системы // Вестн. ТОГУ. - Хабаровск: Изд-во ТОГУ, 2008. - Вып. 1(8). - С. 259-274.

8. Абузов А.В. Обоснование конструктивных параметров и режимов эксплуатации аэростатно-канатной системы для условий Дальнего Востока: дис. ... канд. техн. наук. - М., 2008. - 241 с.

9. Меньшиков В.Н. Обоснование технологии заготовки леса при комплексном освоении лесных массивов: дис. ... д-ра техн. наук. - Л.: ЛТА, 1989. - 521 с.

10. Луценко Е.В Функционирование лесосечных машин в горных лесных массивах: дис. ... канд. техн. на-

ук, 2006 - 189 с.

11. Макаров Е.Г. Инженерные расчеты в МаШСАО: учеб. курс // Лесн. пром-сть. - 1986. - №2 - С. 27-28.

12. Плис А.И., Сливина Н.А. МаШСАО: математический практикум для экономистов и инженеров: учеб.

пособие. - М.: Финансы и статистика. 1999. - 656 с.

--------♦------------

УДК 630.432.31 Е.И. Максимов, А.А. Максимова

РАСЧЕТ СИЛ СОПРОТИВЛЕНИЯ КЛИНА ЛЕСОПОЖАРНОГО АГРЕГАТА ПРИ СОЗДАНИИ МИНЕРАЛИЗОВАННЫХ ПОЛОС

Приведена методика расчета сил сопротивления движения клина лесопожарных агрегатов при создании противопожарных барьеров. Поэлементно рассмотрены вопросы взаимосвязи класса тяги энергетического средства с конечным суммарным значением общего сопротивления клина при копании и перемещении грунта. Теория расчета использована при проектировании многофункционального лесопожарного агрегата нового поколения ЛПА-521 Рубцовского машиностроительного завода.

Ключевые слова: лесной пожар, оборудование, бульдозер, теория расчета, отвал клина.

E.I. Maximov, A.A. Maximova RESISTANCE FORCE CALCULATION OF THE FOREST-FIRE UNIT WEDGE WHILE CREATING MINERALIZED STRIP

Technique for calculation of the resistance force of the forest -fire unit wedge movement while fire barrier creating is given. The issues of interdependence between traction class of the power unit and the final total value of total wedge resistance during digging and moving the soil are considered element by element. The theory of calculation is applied in the design of multifunctional LPA-521 forest- fire unit of new generation at Rubtsovsk engineering plant.

Key words: forest fire, equipment, bulldozer, calculation theory, wedge breast.

Наиболее эффективным методом тушения лесных пожаров является создание минерализованных барьеров различными почвообрабатывающими орудиями, агрегатируемыми с энергетическими средствами на базе колесной и гусеничной техники. К числу перспективных разработок относятся многофункциональные лесопожарные агрегаты (ЛПА), в состав которых входят бульдозерные и клиновые устройства [1].

Например, производительность клиновых устройств на базе тракторов ТТ4-М и конверсионной техники (танк Т-55, тягач АТ-Т) при прокладке минерализованных полос превосходят аналогичный параметр бульдозеров Т-130, Т-170 от двух до десяти раз. Это связано с особенностью конструкции, позволяющей за один