Координатно-объемная методика трассирования путей первичного транспорта леса

Известно, что почти на каждой лесосеке имеются участки (выделы) с разным запасом леса на гектаре, участки трудной проходимости для трелевочных машин из-за почвенно-грунтовых и рельефных условий, а также биотопы, которые лесной технике приходится объезжать.

Понятно, что к тем выделам, где больший запас леса, машинам приходится делать большее число рейсов. Некоторые участки приходится объезжать. На участках со слабонесущими грунтами приходится ограничивать вес пачки или дополнительно укреплять волок, а там, где есть подъемы и спуски в грузовом направлении, - ограничивать вес пачки по касательной силе тяги трактора.

Мощность N трактора, необходимая для трелевки пачки по волоку, зависит от касательной силы тяги F_К и скорости V движения и определяется формулой

где η_Т - КПД трансмиссии.

Подчеркнем, что мощность установленного на трелевочной машине двигателя известна и машина должна работать в режимах, когда N близка или равна N_ном.

Следовательно, для любого участка лесосеки должно соблюдаться условие:

Если трактор с собственным весом G_T и долей k' веса полупогруженной пачки хлыстов G_В движется на подъем (спуск) с некоторым углом α, то касательную силу тяги можно определить приближенно по формуле

где φ_Т и φ_П - коэффициенты сопротивления движению трактора и волочащейся части пачки соответственно.

В этой формуле не учитывается смещение центра тяжести трактора с нагрузкой в виде части пачки хлыстов относительно центра тяжести трактора без нагрузки, что приводит к перераспределению давления движителя на грунт.

На протяжении волока φ_Т, φ_П и α могут отличаться, и притом весьма существенно.

Уравнение (3) лишь частично отражает почвенно-­грунтовые условия значениями φ_Т и φ_П, а рельеф - углом α на отдельных участках. Значения φ_Т во многом зависят от давления движителя на грунт, состояния поверхности и других факторов. Значения φ_П зависят от состава древостоя, развитости кроны (при трелевке деревьев), направления комлей и других факторов.

При холостом ходе трактора в уравнении (3) и G_В = 0 и F_КХ = G_Т(φ_Тcosα±sinα), следовательно, при грузовом и холостом ходе скорость движения можно вычислить по формуле:

Но поскольку F_KX < F_K, V_XX > V_ГХ, и если известна протяженность отдельных участков, нетрудно рассчитать время, необходимое для их прохождения с грузом и без него.

Из формул (3) и (4) можно сделать вывод, что поддержанием мощности, близкой к номинальной, можно увеличивать скорость движения или вес пачки, уменьшая вес трактора и коэффициент сопротивления движению.

Вес трелюемой пачки можно выразить следующей формулой:

Если для всех участков рассчитать вес пачки по формуле (5) и скорости движения, то можно определить максимально допустимое значение G_В по наихудшему участку; это значение является лимитирующим для веса трелюемой пачки по этому маршруту и продолжительности цикла трелевки пачки.

Особый вопрос - долговечность почвенного покроя отдельных участков. Сколько двойных проходов трелевочной машины и трелевочной системы можно допустить на том или ином участке для предотвращения перехода слабых (полезных) повреждений почвы в сильные (вредные)? Очевидно, что чем ближе участок к погрузочному пункту, тем больше двойных проходов на него приходится.

Проведенные сотрудниками СПбГЛТУ теоретические исследования показывают, что для снижения затрат на освоение лесосеки, а также уменьшения степени повреждения почвы необходимо знать подробную характеристику лесосеки. До начала разработки надо иметь по крайней мере три ее карты-характеристики. На одной должны быть изображены все выделы, то есть отдельные части всей площади лесосеки с определенным составом древостоя, средним объемом хлыста и запасом леса на гектаре. На другой должны быть нанесены площади с примерно одинаковой несущей способностью грунтов, в том числе непроходимые для машины. На третьей - все рельефные особенности: подъемы, спуски и их параметры, ручьи, канавы и т. п.

Если масштабы всех карт одинаковы, то, наложив одну на другую, получим довольно подробную характеристику каждой точки лесосеки. Выбрав произвольную систему координат, например ось абсцисс параллельно фронту отгрузки или усу, можно однозначно привязать каждую точку к месту положения и узнать ее подробную характеристику.

У выдела с некоторым запасом q_i леса на гектаре может быть произвольная форма S_i. Но какой бы ни была форма выдела, на ней всегда можно найти центр запаса леса (ЦЗЛ) по аналогии с центром тяжести плоской фигуры равномерной плотности. По первой карте можно определить координаты ЦЗЛ (x_i; y_i) как это показано на рис. 1, где цветом выделены труднопроходимые участки. Если площадь выдела окажется слишком большой или его форма будет слишком сложной, выдел следует произвольно разбить на части размером, например, с площадь зоны набора одной пачки и определить ЦЗЛ каждой части и координаты на карте. Тогда координаты ЦЗЛ всего выдела можно вычислить по формулам:

где n - число частей разбитой площади выдела; S_n, (x_n, y_n) - площади и координаты i­-го выдела.

В общем виде для нескольких выделов можно записать формулы:

В тех случаях, когда по тем или иным причинам волок невозможно или крайне нецелесообразно провести по ЦЗЛ двух выделов и приходится проложить его между двумя соседними, координаты точки условно сдвоенного выдела, состоящего из двух разных по площади и запасу леса, можно вычислить с помощью следующих формул:

Трасса волоков от одного ЦЗЛ до условно сдвоенного ЦЗЛ двух выделов оказывается сопряженной, однако спрямление волоков может оказаться невозможным из-за рельефа и почвенно­-грунтовых условий.

Таким образом, объемно-координатный способ в сочетании с рельефными и почвенно­-грунтовыми ограничениями позволит вполне обоснованно составлять схемы расположения волоков на лесосеке и тем самым свести к минимально возможным энергетические и материальные затраты на трелевке хлыстов и деревьев, а также ухудшение лесорастительных условий за счет снижения суммарного уплотняющего воздействия трелевочных систем на почво-грунты лесосеки.

Такую методику можно применить и при строительстве усов лесовозных дорог. Только вместо термина «выдел» следует принять термин «лесосека». Разумеется, масштабы карт и расположение координатных осей могут быть иными, в частности, они могут совпадать с географической системой координат.

Износ волока сильно влияет на коэффициенты φ_Т и φ_П сопротивления движения трактора и волочащейся части пачки хлыстов или деревьев, хотя эта зависимость не всегда явно просматривается. Дело в том, что формирование колеи зависит от почвенно­-грунтовых условий. В одних случаях по мере наработки, то есть увеличения числа двойных проходов трактора в некоторых местах, грунт под гусеницами или колесами сначала раздавливается и уплотняется и φ_Т уменьшается. Затем разрушается уплотненный слой, глубина колей и φ_Т увеличивается. В других случаях грунт под гусеницами или колесами уплотняется очень слабо и почти сразу начинает разрушаться, глубина колеи постоянно увеличивается и φ_Т довольно быстро достигает предельных значений.

Чтобы оценить степень уширения волока на отдельных участках, надо знать требуемую наработку на каждом из этих участков, то есть определить, сколько же двойных ходов трактора должен выдерживать этот волок. Пусть протяженность волока L такова, что он пересекает n примыкающих к нему выделов с площадями S_i и запасами леса на гектаре q_i. Общий объем древесины V_В, который необходимо стрелевать по этой трассе к погрузочному пункту, и общее число двойных ходов Z_max трактора можно вычислить, если определен объем V_П трелюемой пачки с учетом рельефно-­почвенных ограничений:

Протяженность l₁ этой части волока можно принять равной расстоянию от погрузочного пункта до ЦЗЛ ближайшего выдела, которое вычисляется по координатам ЦЗЛ и погрузочного пункта как расстояние между двумя точками по формуле

или определяется по карте заданного масштаба с помощью линейки.

Объем хлыстов, трелюемых на втором участке волока от ЦЗЛ первого выдела до ЦЗЛ следующего выдела, оказывается меньше на величину объема хлыста, стрелеванного с первого выдела:

а число двойных ходов:

Протяженность второго участка волока можно определить аналогичным способом.

Очевидно, что по наиболее удаленному участку волока необходимо стрелевать объем хлыстов

и совершить двойных рейсов трактора

Планируемая наработка на тот или иной участок трассы в сочетании со знанием несущей способности грунтов и рельефом каждого участка позволит приближенно снизить энергозатраты на трелевку древесины и повреждение почвы. Однако необходимо учитывать, что всякие перегрузки трактора (для уменьшения количества ходов) сверх допустимых или приводят к его поломке, или значительно сокращают его долговечность.

Таким образом, подробная характеристика почвенно-­грунтовых и рельефных условий лесосеки в сочетании с координатно-объемной методикой трассирования позволяет получить такую схему расположения трасс трелевки, при которой суммарные затраты на трелевку могут быть сведены к наиболее выгодным значениям, а повреждение почвы - к нормативно допустимым, позволяющим оптимизировать лесорастительные условия для последующего естественного лесовозобновления и в конечном итоге повысить экологическую эффективность работы трелевочных тракторов.

На рис. 2 и 3 представлены схемы расположения трелевочных волоков, рассчитанные по предлагаемой методике и при стандартной параллельной схеме размещения соответственно. Учет труднопроходимых участков и неэксплуатационных площадей позволяет располагать трелевочные волоки таким образом, что они не пересекают эти участки и площади, что снижает энергоемкость процесса трелевки. При использовании стандартной схемы расположения волоков (рис. 3) волоки часто пересекают труднопроходимые участки, что приводит к увеличению затрат на саму трелевку, а также на подготовительные и вспомогательные работы.

Игорь ГРИГОРЬЕВ,
д-р техн. наук,
проф. кафедры лесозаготовительных производств СПбГЛТУ