Снижение вредного воздействия лесных тракторов и лесосечных машин на почву и насаждения

Известный тезис Г.Ф. Морозова «рубка – синоним возобновления» означает, что нельзя рубить лес такими способами, при которых не обеспечивается его успешное лесовосстановление. Затраты на лесовосстановление и успешность лесных культур находятся в прямой зависимости от того, что оставляют после себя лесозаготовители.

Отечественные лесозаготовители, в основном, вооружены громоздкой и тяжелой техникой. При машинной заготовке древесины применяются валочная машина ВМ-4, валочно-пакетирующая машины ЛП-19А, ЛП-19Б, валочно-трелевочная машина ВТМ-4, сучкорезные машины ЛП-30Б (ЛП-30Г), ЛП-49, ЛП-33 и ЛО-72, трелевочные тракторы гусеничные ТДТ-55, ТТ-4М, ТЛТ-100 и колесные ЛТ-157.

На технологическое обслуживание одной валочно-пакетирующей машины требуется две сучкорезные и три-четыре трелевщика. Следовательно, в составе только одной бригады находится 6-7 единиц техники суммарной мощностью не менее 500 кВт и общей массой 100-120 тонн. Сосредоточение всей этой техники на лесосеке повергает природу в «стрессовое» состояние.

Вырубка после ухода лесозаготовителей представляет собой настоящее «побоище» человека с природой. Вся территория истерзана глубокой колеей и трелевочными волоками, на 90-93 % которой уничтожен подрост ценной породы (сосна, ель и др.). Уплотняется и минерализуется почва примерно на 65-70 % территории вырубки [8].

В современных условиях в роли лесозаготовителя выступают многочисленные арендаторы, которые не имеют ни специалистов лесного дела, ни специальной лесной техники. Они используют всякую подручную технику под девизом «минимум затрат – максимум прибыли» и этим самым наносят еще больший вред природе.

Корчевание пней еще больше усиливает негативные последствия сплошной концентрированной рубки. Вместе с выкорчеванными пнями удаляется плодородный слой почвы, движители корчевателей, в связи с превышением сопротивления пней их удалению касательной силы, развиваемой гусеницами трактора, буксуют и образуют глубокую колею, уплотняют и разрушают структуру почвы. После корчевки образуются подпневые ямы, которые затем при обработке почвы частично засыпаются, но все-таки остаются микропонижения, являющиеся зоной локального заболачивания, последующего вымокания и причиной гибели культур [1, 2, 5].

Теорией и практикой выработаны различные способы снижения вредного воздействия тракторов и агрегатируемых с ними машин на почву, подрост ценных пород, остающийся на корню древостой и лесные культуры, которые можно представить в виде схемы (рис. 2).

Снижение уплотняющего воздействия движителей тракторов и агрегатных лесосечных машин достигается за счет уменьшения удельного давления, имеющего место в зоне контакта колес и части траков гусеничной ленты под опорными катками с почвой [3, 5].

К способам, снижающим вредное воздействие колесных движителей на почву, относятся применение широкопрофильных шин (600-700 мм) сверхнизкого давления (15-20 кПа), установка колес одинакового размера попарно по схеме «тандем» с приводом на каждое из них, быстросъемных эластичных гусеничных лент. Активный привод всех колес по схемам 4 к 4, 6 к 6 и 8 к 8 увеличивает силу тяги трактора до 40 %, то есть можно конструировать тракторы меньшей массы [2].

При применении быстросъемных гусеничных лент на колесных тракторах и агрегатных машинах снижается удельное давление в кратное число раз. Например, удельное давление колесного харвестера «Локомо-999» и форвардера «Вальмет–866К» (Финляндия) составляет соответственно 149 и 118 кПа. После установки гусеничных лент на каждую пару колес тандемной тележки давление снижается до 36 и 31 кПа, то есть в 4,1 и 3,8 раза, и оно меньше допустимого значения (50 кПа).

Также имеют важное значение повышение сцепных качеств движителей с почвой, рациональная развесовка массы трактора (60 % на передний мост и 40 % на задний); модульный принцип построения агрегатных машин, состоящих из энергетического и технологического модулей, соединенных между собой шарнирно и установленных на индивидуальных активных движителях колесных или гусеничных; энергонасыщение тракторов с тем, чтобы выполнять технологические операции за счет мощности двигателя, передаваемой через движители и валы отбора мощности. Последнее снижает буксование движителей.

Большой ресурс в решении вопроса снижения вредного воздействия на окружающую природу заложен в разработке и широком применении комбинированных агрегатов, машин и рабочих органов. Они сокращают в кратное число раз количество проходов по площади и по одному следу.

Так харвестер заменяет валочную, сучкорезную машины, рабочего – раскряжевщика и подтрелевщик сортиментов, а в паре с форвардером 5-7 агрегатных лесосечных машин, каждая из которых специализирована на выполнении только одной отдельной операции.

Харвестеры и форвардеры находят широкое применение не только на сплошных рубках, но и на многоприемных постепенных и рубках ухода (прореживание, проходные и санитарные рубки). Они, осуществляя сортиментную заготовку древесины, обеспечивают выполнение требований, как сохранность подроста не ниже 70-80 %, минерализация почвы не более 20 %, повреждения остающихся деревьев на корню не выше 3 % [7].

Культиваторы комбинированные КУН-4, ПРВМ-3 с приспособлением ПРВМ-11000, КСГ-5, КЛП-2,5 и ряд других, выполняющих одновременно уход в междурядьях и рядах лесных культур, то есть количество проходов сокращается в два раза. А это очень важно, поскольку движители трактора перемещаются на малом расстоянии от рядков культур, производя каждый раз уплотнение почвы и ухудшая условия роста растений.

Еще большее значение приобретает отказ от корчевания пней и переход на удаление надземной части их на уровне поверхности почвы или ниже на глубине до 20-40 см. В этом случаи пни удаляются различными способами – скусывание, срезание, высверливание, фрезерование в радиальном направлении или дробление вдоль волокон. В каждом из этих способов пни удаляются за счет энергии двигателя трактора, передаваемой через вал отбора мощности [5].

В результате исключаются разрушение структуры и уплотнение почвы, удаление верхнего слоя и затрат, связанных с очисткой выкорчеванных пней от почвы, погрузкой и вывозом их за пределы территории, а также работы по планировке поверхности. Территория превращается в поле, позволяющее применять тракторы не только лесные, но и общего сельскохозяйственного назначения разного класса тяги, производить сплошную обработку почвы дисковыми и фрезерными орудиями, создавать лесные культуры параллельными рядами с заданной шириной междурядий.

Таким образом, существует достаточно много способов снижения и даже исключения вредного воздействия на окружающую среду при выполнении лесозаготовительных работ. Все способы сводятся к совершенствованию применяемых и созданию новых прогрессивных технологий и перспективных средств механизации, а также к повышению профессионального уровня работающих в лесном комплексе.
Библиографический список
1. Бартенев И.М. Испытания лесокультурных машин в горных лесах // Лесохоз. инф. 1967. № 17. С. 7-9.

2. Бартенев И.М., Винокуров В.Н. Экологизация технологий и лесной техники // Лесное хоз-во. 1992. № 4-5. С. 5-7.

3. Бартенев И.М., Прядкин В.И. К вопросу удельного давления гусеничного трактора на почву // Лесное хоз-во. 1996. № 4. С. 47-49.

4. Бартенев И.М. О совершенствовании конструкции гусеничного движителя лесных тракторов // Новые технологии и устойчивое управление в лесах Северной Европы: международ. науч. конф. Петрозаводск, 2001. С. 21-23.

5. Конструкция и параметры машин для расчистки лесных площадей: монография / И.М. Бартенев, М.В. Драпалюк, П.И. Попиков [и др.]. – М.: Флинта: Наука. 2007. 208 с.

6. Ляско М.И., Рубенчик Е.В. Влияние l_k/ t и схемы подвески опорных катков на распределение удельных давлений по длине гусеницы // Реф. сб., серия «Тракторы, самоходные шасси и двигатели, агрегаты и узлы». М.: 1979. Вып. 7. С. 78-85

7. Набатов Н.М. Методические рекомендации по применению постепенных рубок в Центральном экономическом районе Европейской части СССР. – М.: 1982. 32 с.

8. Санников Ю.Г., Баринцев А.С. Сравнительная оценка влияния на почву агрегатов на гусеничной и колесной базе // Лесохимия и подсочка. 1981. № 5. С. 15-16.

Для выполнения указанных операций используются машины и устройства с режущими, пилящими и скусывающими рабочими органами. Наиболее широкое применение находят дисковые и цепные пилы с различной конструктивной формой режущих элементов (зубьев [1]). Качество их работы зависит от породы, диаметра и угла расположения срезаемой древесины, скорости резания и надвигания на нее пилы. Однако, в настоящее время, выявить и проверить конструктивные и эксплуатационные параметры режущих рабочих органов (дисковых и цепных пил) практически невозможно из-за отсутствия специального лабораторного оборудования.

С целью устранения указанных недостатков, и получения данных для расчета оптимальных конструкций и характеристик пилящих рабочих органов при различных скоростных режимах и положениях относительно объектов пиления, а также разработки технических средств, на которых они применяются, необходимо проведение исследований по пилению живой и сухой древесины.

Объекты и методы исследований

Для выявления оптимальных параметров и режимов работы круглых дисковых и цепных пил, и взаимодействия их с исследуемыми материалами (древесиной) различных пород и размеров, во ВНИАЛМИ создана лабораторная установка, выполняющая следующие функции: привод пилящего рабочего органа от электродвигателя; крепление и подвод исследуемого образца древесины к пиле; поворот образца в вертикальной плоскости, параллельной плоскости пилы; регулировку скорости его поступательного перемещения; поворот и фиксацию промежуточных и крайних положений зажима с образцом древесины; регулировку частоты вращения дисковой пилы и скорости движения режущей цепи.

Установка для исследований по пилению живой и сухой древесины разработана и изготовлена. Она включает в себя устройство для пиления древесины дисковой пилой (по патенту РФ № 2357856) [2], дополненное сменным узлом с цепной пилой (рис. 1).

На нижней части рамы 2 установлен маятниковый механизм 13 с зажимным устройством 14 и фиксирующим винтом 15 для крепления срезаемого образца древесины 16. Зажимное устройство выполнено в виде сходящихся П-образных прижимов с остроугольными вырезами в их боковинах. Перемещение маятникового механизма осуществляется с помощью гидроцилиндра 17. Для изменения длины вылета срезаемой древесины зажимное устройство установлено на подвижной консоли 18 с возможностью его продольного перемещения и фиксации определенного положения болтом 19. Зажимное устройство 14 для изменения угла резания древесины, закрепленной в нем, относительно плоскости пилы, может поворачиваться вокруг оси его крепления на маятниковом механизме 13. Привод гидроцилиндра 17 осуществляется от специальной гидростанции посредством гидрораспределителя и дросселирующего устройства.

Кинематическая схема передачи крутящего момента от электродвигателя к пильной цепи на лабораторной установке приведена на рис. 2, а возможные варианты изменения скорости режущей (пильной) цепи или дисковой пилы в табл. 1.

Передаточное отношение от электродвигателя к звездочке привода режушей цепи равно

где i_р.п.=1,0…3,29 – передаточное отношение ременной передачи;

Установка дает возможность проведения экспериментальных исследований по резанию живой и сухой древесины цепными и дисковыми пилами, что позволяет оптимизировать параметры рабочих органов и ускорить процесс создания новых машин для проведения лесоводственных уходов в лесных насаждениях любого вида.

2. Патент РФ № 2357856, МПК В27В 5/00. Устройство по пилению живой древесины / Ю.М. Жданов, В.Г. Юферев; заявитель и патентообладатель ГНУ ВНИАЛМИ. – № 2008100739/03 (000802); заявл. 09.01.2008; опубл. 10.06.2009. Бюл. № 16.

Существующие конструкции машин для обрезки ветвей деревьев в садоводстве, лесоаграрных ландшафтах и зелёных зонах городов и посёлках обеспечивают высоту обрезки не более 4,5 м [2], в то время как на лесосеменных плантациях и зелёных зонах требуемая высота обрезки 7…8 м. В настоящее время обрезка ветвей деревьев лесосеменных плантаций производится рабочими, поднятыми гидроподъемниками в крону деревьев, с помощью ручных ножовок и бензопил. Любые повреждения при обрезке вредны для дерева и способствуют возникновению различных инфекционных болезней. Поэтому при обрезке крон необходимо обеспечивать качественный срез ветвей без задиров коры и расщепов. Задача повышения качества и производительности обрезки крон деревьев вызывает острую необходимость в разработке средств механизации этого сложного технологического процесса.

Из анализа исследований параметров существующих технических устройств для обрезки крон деревьев следует, что наиболее перспективными являются машины манипуляторного типа, рабочим органом которых являются дисковые пилы с гидроприводом. Однако рабочие процессы и параметры технологического оборудования машин для обрезки крон деревьев лесосеменных плантаций недостаточно исследованы, нет четкого представления о том, какими должны быть параметры гидропривода и зубьев дисковых пил для качественной обрезки крон деревьев.

Для выявления оптимальных параметров и режимов работы круглых дисковых пил и взаимодействия их с различными породами деревьев в ВГЛТА создана машина для обрезки крон деревьев (рис. 1) [3, 6].

Рабочий орган машины для обрезки крон деревьев, который смонтирован на базовой машине 1 типа автопогрузчика и содержит подъемный механизм 2 с гидроцилиндром 3, на котором смонтирована поворотная колонна 4. На поворотной колонне 4 установлена нижняя секция 5 стрелы, к которой посредством цилиндрического шарнира прикреплены средняя секция 6 стрелы и гидроцилиндр 7 управления. Верхняя часть средней секции 6 стрелы посредством цилиндрического шарнира соединена с крайней секцией 8, снабженной гидроцилиндром 9 управления.

Рис. 1. Машина для обрезки крон деревьев

Внутри крайней секции 8 жестко смонтирован гидроцилиндр управления, шток которого жестко соединен с винтом, установленным по резьбе во втулке, смонтированной при помощи подшипников внутри крайней секции 8 и жестко соединенной со штангой 10. На другом конце штанги 10 установлен поворотный гидродвигатель (ротатор) 11, причем вал поворотного гидродвигателя имеет подвижное соединение с корпусом привода 12 дисковой пилы 13, имеющей одностороннюю заточку в сторону отделяемой части ветви и следующие геометрические параметры зубьев: угол заточки передней (длинной) режущей кромки β_δ=30°, контурный угол заострения β=30°, задний контурный угол α=130°, задний угол резания боковой кромки α_δ≈0°, передний угол γ=-70° (имеет отрицательное значение), а угол резания δ=160°, угол заточки короткой режущей кромки β_δк=45°, передний угол γ_к=40° имеет положительное значение, задний контурный угол α_к=20° и угол резания δ_k=50°. Развод зубьев выполнен односторонний в пределах 0,2 мм в сторону заточки. На корпусе дисковой пилы жестко закреплен V-образный упор 14, высота которого больше радиуса дисковой пилы.

Рабочий орган машины для обрезки крон деревьев работает следующим образом. Базовая машина 1 занимает позицию перед деревом, и оператор при помощи гидроцилиндра 3 и подъемного механизма 2 поднимает рабочий орган на необходимую высоту. Затем гидроцилиндрами 7 и 9 средняя 6 и крайняя 8 секции стрелы поворачиваются в рабочее положение, и при помощи поворотной колонки 4 производится установка в плане рабочего органа. При включении механизма поворота штанги обеспечивается ее поворот вместе с пилой вокруг продольной оси, одновременно при включении поворотного гидродвигателя осуществляется поворот его вала совместно с корпусом привода пилы на необходимый угол. При этом дисковая пила 13 занимает заданное положение в пространстве относительно кроны дерева. Включением привода 12 обеспечивается вращение дисковой пилы 13, затем поочередным манипулированием гидроцилиндрами 7, 9 и гидродвигателем 12 оператор производит подрезку кроны дерева при неизменном положении базовой машины. При обрезке ветвей деревьев резание производится передней (длинной) режущей кромкой с углом заточки β_δ=30° (вращение против часовой стрелки). Задний угол резания боковой кромки α_δ≈0°. Поэтому происходит как бы бесстружечное силовое резание, деформируется только отделяемая часть ветвей, а на дереве остается участок с гладким срезом, т.к. задний угол резания боковой кромки α_δ близок к нулю. Передний угол γ=-70° и в данном случае имеет отрицательное значение, а угол резания δ=160°. В процессе обрезки крупных боковых ветвей и вершин деревьев V-образный упор 14 упирается в отделяемую часть ветви, исключая зажим дисковой пилы в пропиле [7].

При ежегодной подрезке однолетних побегов используется эта же пила с обратным направлением вращения (вращение по часовой стрелке, см. рис. 1). Резание в этом случае производится короткой режущей кромкой с углом заточки β_δк=45°. Передний угол γ_к=40° имеет положительное значение, задний контурный угол α_к=20° и угол резания δ_k=50°. При обрезке однолетних побегов зуб пилы их как бы захватывает и не дает отклоняться в сторону. Далее рабочий орган переводится в транспортное положение, и базовая машина перемещается на новую позицию для обрезки кроны другого дерева [4, 5].

Для исследования рабочих процессов резания разработан лабораторный стенд (рис. 2), включающий раму 1, механизм резания 2 с гидромотором 3, манометром 4, подключенным к компьютеру, механизмом подачи в виде гидроцилиндра 5 и дросселя для регулирования скорости подачи. Удельная сила резания образцов древесины ветвей определялась на испытательной машине УМЭ-10ТМ.

Рис. 2. Лабораторный стенд механизма резания с дисковой круглой пилой и гидромотором

В результате приведенных экспериментальных исследований динамики гидропривода и рабочих процессов срезания ветвей деревьев получены зависимости давления рабочей жидкости от времени (рис. 3). В результате расчетов согласно методике планирования эксперимента с использованием Microsoft Excel XP получено следующее уравнение регрессии второго порядка в кодированном виде:

где – давление рабочей жидкости в гидромоторе,

х₁ – угол встречи,

х₂ – скорость подачи.

Рис. 3. График изменения давления рабочей жидкости при скорости подачи V_под=0,02 м/с и угле встречи θ=60°

На рис. 4 изображена поверхность, описываемая полученным уравнением регрессии.

Рис. 4. Зависимости давления от углов встречи и скорости подачи

а б

Рис. 5. Зависимости максимальной силы резания F_max (а) и шероховатости среза R_m,max (б) от угла развода зубьев пилы ρ