close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Вестник ЦЧР. Вып. 5

код для вставкиСкачать
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ
ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ
ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
«ВОРОНЕЖСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ ЛЕСОТЕХНИЧЕСКАЯ
АКАДЕМИЯ»
ВЕСТНИК
Центрально-Черноземного регионального отделения наук о лесе
Российской академии естественных наук
Воронежской государственной лесотехнической академии
Выпуск 5
ВОРОНЕЖ 2007
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ
ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ
ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
«ВОРОНЕЖСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ ЛЕСОТЕХНИЧЕСКАЯ
АКАДЕМИЯ»
ВЕСТНИК
Центрально-Черноземного регионального отделения наук о лесе
Российской академии естественных наук
Воронежской государственной лесотехнической академии
Выпуск 5
ВОРОНЕЖ 2007
УДК 630(05)+674(05)
В 38
Вестник Центрально-Черноземного регионального отделения наук о лесе
Российской академии естественных наук Воронежской государственной лесотехнической академии [Текст] / под. ред. проф. Л. Т. Свиридова ; Фед. агентство по образованию, ГОУ ВПО «ВГЛТА». – Воронеж, 2007. – 200 с. – ISBN 9785-7994-0220-4
В вестнике рассмотрены проблемы, связанные с лесоразведением, а также
с состоянием и реконструкцией лесных насаждений Центра России, Центрально-Черноземного региона, Нижнего и Верхнего Поволжья, Карелии и Северного Кавказа, начиная от генетики и селекции, сбора и обработки семян, влияния
природных факторов на плодоношение древесных пород и их усыхание. Включены вопросы экономики лесного хозяйства, защиты и экологии леса, переработки древесины, дорожного строительства в лесном комплексе и ряд вопросов
по машинам и механизмам.
Помещенные в Вестнике результаты научных исследований имеют существенную новизну, актуальны и полезны для ученых, специалистов производства, преподавателей и студентов вузов страны лесного профиля.
Ил. 44, Табл. 43, Библиогр.: 141 наим.
Печатается по решению редакционно-издательского отдела ГОУ ВПО
«ВГЛТА»
Рецензенты:
каф. механизации лесного и садово-паркового хозяйства
СГАУ;
зав. кафедрой сельскохозяйственных машин ВГАУ, д-р техн
наук, проф. А.П. Тарасенко
Редакционная коллегия
д-р техн. наук, проф. – научный редактор
Л.Т. Свиридов
д-р техн. наук, проф. – зам. научного редактора,
И.М. Бартенев
редактор раздела "Машины лесного комплекса"
д-р техн. наук, проф. – редактор раздела
В.К. Курьянов
"Лесоэксплуатация"
д-р техн. наук, проф. – редактор раздела
Е.М. Разиньков
"Деревообработка"
д-р техн. наук, проф. – редактор раздела "Лесное
В.И. Таранков
биоресурсопользование, защитное лесоразведение"
Л.И. Бельчинская д-р техн. наук, проф. – редактор раздела "Лесохимия"
д-р биол. наук, проф. – редактор раздела "Экология и
А.А. Харченко
защита леса"
ISBN 978-5-7994-0220-4
УДК 630(05)+674(05)
© Коллектив авторов, 2007
© ГОУ ВПО «Воронежская государственная
лесотехническая академия», 2007
3
СОДЕРЖАНИЕ
РАЗДЕЛ I Генетика, селекция, семеноводство …………………………
6
Галдина Т.Е. Рост сосны обыкновенной (Pinus sylvestris L.) разного
географического происхождения в лесостепи……………………….
Малышев В.В. Закономерности хода роста и оптимизация режимов
выращивания культур сосны обыкновенной…………………………
Перов В.Ф. Рост и состояние культур сосны обыкновенной и сосны
крымской в условиях сухой степи на Приерусланских
песках…………….……………………………………………………..
Славский В.А. Урожайность и качество плодов ореха грецкого…………
17
21
РАЗДЕЛ II Лесное биоресурсопользование, защитное лесоразведение ….
25
Беляева Н.В. Влияние комплексного ухода за лесом на устойчивость
лесных фитоценозов……………………………………...……………
Бугаев В.А., Овсянникова А.М. Реконструкция малоценных
насаждений…………………………………………………….……….
Григорьева О.И., Ледяева А.С. Влияние рубок ухода на изменение
площади сечения древостоев в сосновых насаждениях……………..
Иванова Н.С. Оценка товарной структуры березняка на лесосеке по
ступеням толщины……………………………………………………..
Свиридов Л.Т. О сохранении биоразнообразия лесных экосистем и
устойчивом их развитии……………………………………………….
Таранков В.И., Свиридов Д.Г. Запасы гумуса и органического
углерода в почвах различных типов дубовых насаждений………….
Уржумцева И.С., Мазуркин П.М. Сравнение лесных и городских
древостоев по радиальному приросту заболони деревьев…………..
Царев В.А. Экономическая оценка внедрения сортовых тополей в
лесные культуры ЦЧО (на примере Воронежской и Тамбовской
областей)………………………………………………………………..
Тихонова Е.Н., Пышкин В.Н. Фитомелиоративные мероприятия на
пастбищных землях Астраханской области………………………….
Чернышов М.П., Перевертайло О.Г. Состояние и ресурсный
потенциал дубрав Центрального и Южного федеральных округов
России…………………………………………………………………..
РАЗДЕЛ III Лесоэксплуатация…………………………………………….
Афоничев Д.Н. Расчет усилий в конструктивных элементах сборных
дорожных покрытий с учетом многоосевой внешней нагрузки…….
Пилюшина Г.А., Прусс Б.Н. Особенности эксплуатации и пути
повышения работоспособности лесозаготовительных машин……...
6
12
25
32
37
42
48
54
58
65
73
77
87
87
93
4
РАЗДЕЛ IV Деревообработка………………………………………………
98
Максименков А.И., Анпилогов Р.Н. Анализ факторов и обоснование
выбора критериев, определяющих точность пиления полосовыми
пилами………………………………………………………………….. 98
Послухаев Н.И., Разиньков Е.М. Параметры процесса шлифования
мебельных щитов……………………………………………………… 103
Филонов А.А., Боровик Ю.С., Ткачева О.А. Совершенствование
технологии
облицовывания
древесно-стружечных
плит
строганным
109
шпоном…………………………………………………………………
РАЗДЕЛ V Лесохимия……………………………………………………… 114
Никулина Н.С., Никулин С.С., Филимонова О.Н., Болдырев В.С.
Защитная
обработка
древесно-волокнистых
плит
низкомолекулярыми сополимерами на основе побочных продуктов
114
нефтехимии с различным содержанием стирола………..
РАЗДЕЛ VI Машины лесного комплекса………………………………..
Бартенев И.М., Титов П.И. Взаимодействие с почвой гибкого обода
уплотняющего катка лесопосадочной машины……………………...
Донцов И.Е. Вынужденные колебания комбинированных машиннотракторных агрегатов (КМТА)……………………………………….
Емтыль З.К., Попиков П.И., Бухтояров Л.Д., Сидоров А.А.
Обоснование
параметров
демпфера
гидропривода
технологического
оборудования
манипуляторного
типа
лесовозного автопоезда………………………………………………..
Лушников М.В. Проблемы и перспективы механизации осветления в
лесных культурах, создаваемых на вырубках………………………..
Макеев В.Н., Плешков Д.Д., Сидоров А.А. Усовершенствование
кинематической
схемы
стрелоподъемного
механизма
гидравлического экскаватора в условиях лесного комплекса………
Посметьев В.И., Тарасов Е.А. Оценка эффективности применения
энергосберегающей системы на лесном почвообрабатывающем
агрегате………………………………………………………………….
Родионов А.В. Обоснование единой ресурсосберегающей технологии
рубки и восстановления леса (на примере республики Карелия)…..
Хорошавин В.Н., Жданов Ю.М., Несмачнов Р.Е. Обосновании
епринципа действия и функциональной схемы устройства для
обработки приствольных полос в лесных насаждениях…………….
Юдин Р.В. Обоснование параметров пульсирующего режима
уплотнения древесины…………………………………………………
121
121
125
135
139
143
148
152
158
164
5
КРАТКИЕ СООБЩЕНИЯ…………………………………………………
Алимов Н.И. Условия биологической устойчивости защитных лесных
насаждений сосны обыкновенной на аренах сухих степей…………
Бирман А.Р., Авдашкевич С.В. Использование древесины осины для
производства древесного угля………………………………………...
Ефимов А.А. Ультразвуковое испытание круглых лесоматериалов……...
Калинина О.А. Гипотеза комплексного изменения свойств
модифицированной древесины в процессе ее крашения……………
Репринцев Д.Д., Белозоров В.В. Обеспечение устойчивости и
управляемости лесовозного авто………………………………
Стородубцева Т.Н., Харчевников В.И., Бондарев Б.А. Методы
исследования свойств стекло- и древесностекловолокнистых
композиционных материалов………………………………………….
Четверикова И.В. Исследование интенсивности водопоглощения и
воздуховыделения технологической щепы в процессе намокания…
Рефераты……………………………………………………………………...
172
172
175
178
181
184
187
190
193
6
РАЗДЕЛ I ГЕНЕТИКА, СЕЛЕКЦИЯ, СЕМЕНОВОДСТВО
УДК 630*165.3+630*174.754
РОСТ СОСНЫ ОБЫКНОВЕННОЙ (PINUS SYLVESTRIS L.)
РАЗНОГО ГЕОГРАФИЧЕСКОГО ПРОИСХОЖДЕНИЯ В
ЛЕСОСТЕПИ
Т.Е. Галдина
Воронежская государственная лесотехническая академия
Происхождение семян оказывает существенное влияние на биологические особенности
экотипов в новых условиях роста, что сказывается на всех хозяйственно важных показателях
сосны (сохранность, продуктивность, качество стволов). Сохранность культур характеризует
приспособленность данного географического экотипа к новым условиям местопроизрастания.
Обследование опытных культур в возрасте 45 лет позволило установить, что наилучшая сохранность у местных происхождений, а также у экотипов из близких экологических условий
произрастания.
В решении задач интенсификации и рационализации лесного хозяйства сосна
обыкновенная как основной хозяйственный вид имеет первостепенное значение. Современные промышленные методы ведения лесного хозяйства требуют рассмотрения
таких вопросов, как улучшение лесов на основе использования достижений лесной
генетики и селекции с подробным изучением внутривидовой изменчивости древесных растений и отбор наиболее перспективных для конкретных лесорастительных
условий популяций, экотипов и форм. Особый интерес в этом плане представляют
исследования эколого-географической изменчивости лесообразующих пород, позволяющие выявить дифференциацию того или иного вида на подвиды, климатические и
эдафические экотипы, и определить допустимые пределы перемещения семян для лесокультурных целей на основе разрабатываемого лесосеменного районирования.
Многочисленные данные о сосне обыкновенной и другим видам древесных растений свидетельствуют о более высоких показателях продуктивности,
устойчивости и качества насаждений из семян местного происхождения. Однако в Центральной лесостепи, где сосна обыкновенная является одной из наиболее ценных пород, недостаточное развитие местной лесосеменной базы вынуждает в неурожайные годы использовать семена из других природноклиматических зон. Действующее с 1982 года лесосеменное районирование было разработано на основе результатов изучение относительно молодых географических культур, порой без учета лесорастительных условий и популяционной структуры исходных насаждений, и требуют уточнения.
Одним из важнейших хозяйственных показателей качества культур является сохранность. Этот признак характеризует приспособляемость растений различного происхождения и хорошо отражает их реакцию на новые условия среды.
©
Галдина Т.Е., 2007
7
Объектами исследования послужили географические культуры, заложенные в 1959 году под руководством профессора М.М. Вересина на территории
Воронежского мехлесхоза. Опыт является одним из самых крупных в СНГ. Семена получены через сеть контрольно-семенных станций, всего 245 образцов,
представляющих 228 лесхозов.
Таблица 1
Сохранность культур сосны обыкновенной в возрасте 40лет
Республика, область
Лесхоз, леспромхоз
Архангельская
Карелия
Ленинградская
Псковская
Новгородская
Вологодская
Костромская
Кировская
Пермская
Эстония
Латвия
Литва
Калининградская
Беларусь
Смоленская
Калужская
Брянская
Ярославская
Ивановская
Калининская
Московская
Владимирская
Рязанская
Марий Эл
Нижегородская
Чувашия
Мордовия
Воронежская
Воронежская
Пензенская
Онежский
Заонежский
Рощинский
Струго-Красненский
Валдайский
Череповецкий
Мантуровский
Шеболинский
Осинский
Таллинский
Угольский
Койщадорский
Полесский
Любанский
Велижский
Козельский
Сузинский
Рыбинский
Тейковский
Калининский
Кривандиский
Миленковский
Солотчинский
Муш-Мари
Горьковский
Кирский
Зубовский
Усманский
Хреновской
Кузнецкий
Сохранность, %
21
24
15
23
17
23
30
24
23
29
25
18
15
19
17
16
12
31
15
20
16
14
16
27
11
14
17
27,8
31,8
13
Изучение опытных культур в возрасте 45 лет проводилось на 30 пробных
площадях. Различия по широте между крайними составили от Воронежа до Архангельска, по долготе от Калининграда до Перми.
Анализ полученных результатов (табл.1) позволяет сделать вывод, что
8
наилучшей сохранностью обладают местные происхождения (Хреновской
бор − 31,8 % и Усманское лесничество − 27,8 %), а также некоторые экотипы, по-видимому, из близких экологических условий произрастания к географическим культурам (республики Марий Эл, Латвия, Эстония, Ярославская, Новгородская, Костромская области). Наименьшая сохранность отмечена у Нижегородского экотипа (11 %), а также у Брянского, Пензенского,
Владимирского, Чувашского (12-14 %).
Анализ данных о сохранности свидетельствует о тесной связи приживаемости, сохранности и устойчивости культур с географическим происхождением
семян. С удалением места произрастания материнских древостоев на север, северо-восток, восток устойчивость или сохранность культур всех происхождений в целом существенно снижается. Существенное влияние на сохранность
культур оказывают почвенные (эдафические) условия произрастания материнских насаждений, в которых были заготовлены образцы. Так, например в
одном и том же лесосеменном районе (Лесосеменное районирование..., 1982)
сохранность колеблется в пределах от 11-27 % (семена заготовлены для нижегородского экотипа в 80-100-летнем возрасте во влажном бору (А3), для чувашского – в 80-100-летнем возрасте в свежей субори (В2), для марийского – в 60летнем возрасте в свежем бору (А2), для мордовского – в 20-летнем возрасте в
свежем бору (А2)).
Изучение исследуемых культур уже проводилось М.М. Вересиным и А.М. Шутяевым в возрасте 16 и 27 лет (Вересин, Шутяев, 1978; Шутяев, Вересин, 1990) [1, 3].
В 1972 г. М.М. Вересин и А.М. Шутяев проводили обмер основных вариантов, представляющих различные части ареала сосны (табл. 2). На момент обследования (16 лет) сохранность колебалась в пределах 6-89 %. Наибольшая
сохранность у северных сосен – 83 %, северо-восточных – 71 %, центральночерноземных – 53 %. Сохранность местных сосен – 67,3 %. Средняя высота потомств сосны колебалась в пределах 2,8-6,7 м. Средний диаметр – от 4,3 см до
9,3 см. Наивысшую продуктивность по запасу показали сосны местного происхождения (Вересин, Шутяев, 1978) [1].
При наступлении биологического возраста 27 лет в 1983 году
А.М. Шутяевым проводился обмер 63 экотипов, представляющих основные регионы ареала сосны (табл. 2).
Сохранность культур ухудшается от группы северных экотипов (67 %), к
северо-восточной (53 %), и центрально-черноземной (30 %). Что касается воронежского (контроль – Усманский бор), то доля сохранившихся деревьев составляет 43 %. Отпад произошел, в основном, в первый же год из-за сильной пораженности сеянцев шютте и засушливого лета (Шутяев, Вересин, 1990). Средняя
высота потомств колебалась в пределах 8,5-13,2 м. Средний диаметр – от 7,6 см
до 14,0 см. Наивысшую продуктивность по запасу показали западные популяции. Наименее продуктивными оказались северные происхождения. Запас потомств местной популяции – 242 м3/га.
Таким образом, как в 16, так и в 27 лет выявлен большой разброс хозяйственно-ценных показателей потомств географических популяций, выращиваемых в одних и тех же условиях при одинаковой технологии создания. Это, по
9
мнению авторов, свидетельствует о наследственно-генетических факторах,
влияющих на сохранность, продуктивность и качество сосны обыкновенной в
новых для нее условиях.
Таблица 2
Характеристика основных таксационных показателей
в географических культурах различных возрастов
Воронежский,
Бор.
Беларусский
Московский
Калининский
Литовский
Пермский
Кировский
Архангельский
Карельский
Запас на 1 га
Средняя
высота
Ср. диаметр
Сохранност
ь
Запас на 1 га
40 лет
Средняя
высота
Ср. диаметр
Сохранност
ь
Запас на 1 га
27 лет**
Средняя
высота
Ср. диаметр
Географические
районы
Сохранност
ь
16 лет*
67
6,8
6,4
118 43
10,6 11,5 242 27,8 13,3 17
260
60
43
49
47
71
84
83
83
6,2
6,5
6,2
6,5
6,1
5,5
4,9
4,6
6,2
6,0
5,7
5,7
5,2
5,0
4,2
4,0
93
60
42
79
70
79
63
52
10,9
10,2
9,2
10,2
8,8
9,1
8,5
7,8
183
184
182
165
98
120
115
166
41
38
33
45
53
51
61
81
11,3
10,7
10,2
10,9
9,8
10,0
8,5
8,5
225
186
152
229
130
124
109
143
19
16
20
18
23
24
21
24
16,7
18,7
16,1
16,4
14,4
13,3
13,9
15,2
20
20
20
20
15
16
16
17
* – данные М.М. Вересина, А.М. Шутяева (1978) [1];
** – данные А.М. Шутяева (1983) [1].
Как уже отмечалось ранее (Рубцов, 1964), в начальный период до смыкания культур отпад в них происходит главным образом за счет различных повреждений растений вредителями, болезнями, животными и людьми [2].
Именно в этот период происходит наибольший процент отбора лучших генотипов, более выносливых и устойчивых к различным видам повреждений. Об этом свидетельствует также тот факт, что в период приживания
у местных происхождений произошел большой процент отпада из-за шютте
(Шутяев, Вересин, 1990) [3].
После смыкания культур роль внешних факторов в процессе отпада снижается. Все большее значение приобретает влияние растений друг на друга, их
конкуренция за свет, влагу и элементы питания, а также наследственные признаки. Именно эта конкуренция приводит в конечном счете к постепенному ослаблению и гибели отстающих в росте растений (естественное усыхание деревьев),
то есть в насаждениях усиливается процесс естественного отбора и влияние географического происхождения семян, используемых для закладки культур.
В результате изучения показателей исследуемых культур в возрасте
16, 27 и 40 лет было обнаружено, что при первом (16 лет) и втором (27 лет)
обмерах лучшими по сохранности оказались северные экотипы, в возрасте
40 лет на первое место выходят местные происхождения. Таким образом,
10
Запас на 1 га
Средняя
высота
Средний
диаметр
Сохранность
Запас на 1 га
Средняя
высота
Средний
диаметр
Сохранность
Запас на 1 га
Средняя
высота
Средний
диаметр
Показатели
Сохранность
большое влияние на сохранность культур имеет географическое происхождение семян. Например, северная группа популяций в период приживания
более устойчива к посторонним факторам (болезнь шютте, снеголом, произошедший в Воронежской области в 1969 году), но в борьбе за выживание
(естественный отбор) является наименее устойчивой в данных условиях
произрастания.
Таблица 3
Корреляционная матрица таксационных показателей сосны обыкновенной в
географических культурах различных возрастов
16 лет
27 лет
40 лет
Сохран–
ность
Средний
-0,771 –
16 диаметр
лет Средняя
-0,729 0,953 –
высота
Запас на
0,006 0,485 0,549 –
1 га
Сохран0,766 -0,858 -0,871 -0,230 –
ность
Средний
-0,645 0,849 0,932 0,664 -0,790 –
27 диаметр
лет Средняя
-0,655 0,924 0,975 0,653 -0,800 0,953 –
высота
Запас на
-0,599 0,741 0,802 0,656 -0,487 0,868 0,855 –
1 га
Сохран0,685 -0,189 -0,191 0,441 0,394 -0,271 -0,135 -0,111 –
ность
Средний
-0,799 0,337 0,369 -0,356 -0,390 0,374 0,298 0,347 -0,871 –
40 диаметр
лет Средняя
-0,857 0,491 0,576 -0,113 -0,593 0,598 0,543 0,609 -0,715 0,828 –
высота
Запас на
-0,428 0,544 0,651 0,479 -0,375 0,614 0,635 0,792 0,167 0,190 0,493 –
1 га
Примечание: Жирным шрифтом выделены достоверные показатели корреляционной связи.
Корреляционный анализ (табл. 3) таксационных показателей сосны обыкновенной различных возрастов позволяет выявить высокую связь между сохранностью в 16 лет и сохранностью в 27, 40 лет, а также высокую и обратную связь с
диаметром и высотой различных возрастов. Корреляционная матрица свидетельствует, что влияние сохранности в 16 лет к 40 годам на все показатели ослабевает.
11
Показатель корреляции рангов (по Спирмену) достоверен по сохранности
1972 и 2000 гг. (r = 0,694), 1972 г. и 1983 г. (r = 0,666), 1983 и 2000 гг.
(r = 0,525).
Библиографический список
1. Вересин, М. М. Испытание потомств географических популяций сосны
обыкновенной в Воронежской области [Текст] / М. М. Вересин, А. М. Шутяев //
Межвуз. сб. науч. тр. Защитное лесоразведение и лесные культуры. – Воронеж,
1987. Вып. 5. – С. 27-33.
2. Рубцов, В. И. Культуры сосны в лесостепи Центрально-черноземных областей. [Текст]/ В. И. Рубцов – М.: Лесная пром-сть, 1964.– 316 с.
3. Шутяев, А. М. Продуктивность географических популяций сосны обыкновенной [Текст] / А. М. Шутяев, М. М. Вересин // Лесное хозяйство, 1990. – N
11. – С.36 – 38.
4. Фомин, Г. И. Опыт районирования семенного хозяйства обыкновенной
сосны на основе изучения ее климатических экотипов [Текст] / Г. И. Фомин //
Исследования по лесосеменному делу. – М., 1940. – С.5-12.
12
УДК 630*232+630*174.754
ЗАКОНОМЕРНОСТИ ХОДА РОСТА И ОПТИМИЗАЦИЯ
РЕЖИМОВ ВЫРАЩИВАНИЯ КУЛЬТУР СОСНЫ
ОБЫКНОВЕННОЙ
В.В. Малышев
Воронежская государственная лесотехническая академия
Разработаны оптимальные режимы выращивания культур сосны обыкновенной для
получения максимального объема стволовой древесины на 1 га за 1 год лесовыращивания.
На основании постоянных пробных площадей и массового табличного материала, с использованием методов математического моделирования, получены зависимости средней высоты, среднего диаметра, сумм площадей сечений и запаса стволовой древесины на 1 га в
возрастной динамике. Вычислено значение целевой функции получения максимального объема стволовой древесины при минимальном сроке выращивания.
Вопрос оптимизации режимов выращивания культур сосны обыкновенной остается актуальным из-за постоянно растущих потребностей в древесине различного целевого назначения, изменений в технической оснащенности, внедрений новых технологий лесохозяйственного производства. Потребность в крупномерной древесине хвойных пород с каждым годом возрастает, в то время как обеспеченность древесным сырьем в лесодефицитных районах за счет собственных ресурсов снижается. Это вызывает необходимость
поиска новых способов создания и ускоренного формирования высококачественных и устойчивых насаждений.
Существующая практика формирования насаждений с помощью рубок ухода
за лесом недостаточно учитывает особенности хода роста древостоев разной густоты и не обеспечивает снижения возраста технической спелости. Для решения этой
проблемы необходимо реализовать ряд лесохозяйственных мероприятий. Главным
мероприятием является решение задач обоснованной оптимизации сроков и интенсивности рубок ухода за лесом, которые обеспечивают повышение продуктивности
древостоев с получением наибольшего объема стволовой древесины с 1 га, за 1 год
лесовыращивания [1,2,4]. Необходимо обоснованные решения по определению интенсивности и периодичности рубок ухода при формировании насаждений.
Для создания и формирования высокопродуктивных, высококачественных и устойчивых лесных культур необходима система последовательных и
взаимосвязанных лесохозяйственных мероприятий. Особую актуальность приобретает разработка целевых программ выращивания продуктивных и устойчивых древостоев, базирующихся на моделях роста, учитывающих динамику воздействия множества разнообразных внутренних и внешних факторов, а
также наиболее вероятные, экономически целесообразные технологии создания
и формирования насаждений [5].
©
Малышев В.В., 2007
13
Оптимизация густоты посадки и режимов выращивания деревьев будущего, регулируемых рубками ухода - одна из основных задач лесовыращивания.
С целью выявления особенностей хода роста в культурах сосны обыкновенной в Воронежской, Тамбовской и Липецкой областях были заложены
пробные площади. Под пробные площади подбирались однородные участки
наиболее распространённых рядовых чистых культур сосны с максимальной и
средней сомкнутостью и первоначальной густотой посадки 10 тыс. шт./га. Все
насаждения пройдены рубками ухода по низовому методу.
На пробных площадях проводились следующие работы: сплошной перечёт деревьев, построение графика высот, подбор, рубка и обмер модельных
деревьев, раскряжёвка их на сортименты. Пробные площади заложены в насаждениях, произрастающих в наиболее распространённых условиях - свежем
бору (А2), свежей субори (В2) и свежей сложной субори (С2).
Пробные площади характеризуют культуры сосны 1а, I и II классов бонитета в возрасте от 20 до 110 лет. В результате использования собранного материала были построены таблицы хода роста, характеризующие рост и производительность сомкнутых культур сосны (при полноте 1,0).
Динамика изменения средней высоты (Нср), среднего диаметра (Dcp), суммы площадей сечения (S), запаса (М) стволовой древесины на 1 га, как функция
возраста адекватно описывается зависимостями следующего вида:
Hcp=a0+ai-t + a2-t2,
(1)
Dcp = a0+art + a2-t2,
(2)
S -а0 + аг -t + a2 -t2 +a3 -t3,
(3)
М = а0 +аг -t + a2 -t2 +a3 -t3,
(4)
где ао, а1} а2, а3 - постоянные коэффициенты, зависящие от класса бонитета насаждения и лесорастительных условий; t - возраст насаждения, лет.
Полученная система конкретных математических моделей хода роста
лесных культур сосны адекватна численным показателям хода роста. Отклонения расчетных значений от табличных не превышают 3,5%. В нашем случае
критерием точности является минимальная сумма квадратов отклонений расчетной функции от табличного значения. Коэффициенты уравнения выбираются таким образом, чтобы искомая модель наиболее точно описывала изменение выходной величины от входной.
Общая производительность вычисляется суммированием запаса остающейся части насаждения в данном возрасте и объема древесины, который
был выбран за предшествующий период.
По величине общей производительности вычисляются средний и текущий
приросты. Число стволов на 1 га вычисляется на основании значений сумм
площадей сечений и средних диаметров.
Оптимальные режимы изреживания культур сосны представлены в таблице.
14
Таблица
Оптимальные режимы изреживания культур сосны для получения
максимального объема стволовой древесины
Бонитет Целевой
диаметр,
см
Iа
32
I
28
II
24
Вид рубки
Возраст Средняя Средний Выбираемый запас
изрежи- высота,
диаметр,
вания,
м
см
%
м3/га
лет
Целевая функция S / t= 14,4 м3 / год / га
Прочистка
11
5,2
5,4
26
11,9
Прочистка
16
8,0
7,9
20
20,9
Прочистка
20
10,1
9,9
22
33,4
Прорежив.
25
12,5
12,2
16
33,6
Прорежив.
29
14,2
14,0
15
45,9
Прорежив.
34
16,3
16,1
16
49,5
Прорежив.
39
18,1
18,2
15
54,0
Проходная
44
19,8
20,2
16
65,1
Проходная
50
21,7
22,6
16
73,3
Проходная
57
23,7
25,2
15
76,6
Сплошная
76
28,0
32,1
100
630,8
3
Целевая функция S / t= 11,5 м / год / га
Прочистка
11
4,8
4,1
21
9,0
Прочистка
14
6,2
5,7
29
19,2
Прочистка
19
8,4
8,1
24
26,2
Прорежив.
24
10,4
10,4
17
26,4
Прорежив.
28
12,0
12,0
15
28,6
Прорежив.
32
13,4
13,6
22
50,4
Прорежив.
39
15,8
16,2
19
55,2
Проходная
46
17,8
18,7
19
66,1
Проходная
54
19,9
21,3
16
60,4
Сплошная
77
24,4
28,3
100
547,5
3
Целевая функция S / t= 9,3 м / год / га
Прочистка 11
4,1
3,3
22
7,9
Прочистка 15
5,7
5,1
28
16,0
Прочистка 20
7,5
7,3
20
17,8
Прорежив. 24
8,9
8,9
17
20,0
Прорежив. 28
10,2
10,5
15
22,2
Прорежив. 32
11,5
11,9
20
35,5
Прорежив. 38
13,2
14,0
17
37,6
Проходная 45
15,1
16,1
16
42,8
Проходная 52
16,8
18,1
15
46,2
Сплошная 77
21,2
24,0
100
448,0
Общая
производительность,
м3/га
1095,0
889,0
694,0
По приведенным выше математическим моделям и поставленной задачей
было вычислено значение целевой функции (Z) получения максимального объема стволовой древесины при минимальном сроке выращивания
S
Z = → max,
(5)
t
где S - суммарный объем древесины, полученный от рубок ухода и
сплошной рубки
15
n
S = ∑Vi
i =1
(6)
i – индекс рубки ухода (i = 1, 2, 3…n);
n – сплошная рубка;
t – возраст древостоя при сплошной рубке;
Vi – объем древесины полученной при i –й рубке, м3.
Целевая функция показывает, какой объем древесины мы можем получить с одного гектара площади за один год лесовыращивания.
Для нахождения оптимальных параметров - сроков и количества вырубаемых деревьев от промежуточных и сплошных рубок была составлена программа. В качестве входных данных были использованы выше упомянутые
таблицы хода роста лесных культур сосны.
Значительное количество приемов проходных рубок не укладываются в
установившиеся представления о рубках ухода и объясняется поставленной задачей максимизации целевой функции (5), в которой нет ограничений на число
этих рубок.
Полученные таблицы компьютерного проектирования рубок ухода показывают естественные закономерности:
1. Чем лучше условия местопроизрастания, тем ниже возраст достижения
заданного диаметра.
2. Чем выше возраст достижения целевого диаметра, тем выше суммарный объем стволовой древесины на 1 га, но меньше этот выход на 1 год лесовыращивания.
Рисунок Зависимость целевой функции (Z) от диаметра в возрасте технической спелости (D)
Как видно из графика (рисунок), и, исходя из математических моделей,
можно для каждого бонитета найти оптимальное значение целевого диаметра,
при котором значение целевой функции Z будет максимальным.
Для определения оптимальных значений заданных диаметров Dopt, соответствующих максимальному объему стволовой древесины на 1 га за 1 год
лесовыращивания необходимо по каждому выражению целевых функций Z(d)
16
∂Z
= 0 и решить полученные
∂d
уравнения относительно D. Для сосновых насаждений: Iа бонитета, Dopt = 32 см;
I бонитета, Dopt = 28 см; II бонитета, Dopt = 24 см.
В качестве фактических режимов были использованы «Наставления по
рубкам ухода в равнинных лесах европейской части России» [3]. Эти режимы
были сопоставлены с режимами изреживания при компьютерном проектировании, т.е. с оптимальными режимами. Эффективность предложенных оптимальных режимов рубок ухода по запасу стволовой древесины в среднем на 7%
выше, чем применяемых на практике.
взять первые производные и приравнять их нулю
Библиографический список
1. Авдонин, И. Е. Математические модели, вычислительные процедуры
систем автоматизированного проектирования рубок ухода за лесом. [Текст] / И.
Е. Авдонин, В. А. Гордиенко, И. П. Коваль, B. C. Петровский, В. К. Попов, С.
А. Черепухин. – Воронеж: ВГЛТА, 1999. – 306 с.
2. Малышев, В. В. Математическое моделирование и оптимизация режимов выращивания лесных культур сосны [Текст] / В. В. Малышев, B. C. Петровский, В. К. Попов, А. И. Журихин. – Воронеж: ВГУ, 2004. – 211 с.
3. Наставления по рубкам ухода в равнинных лесах европейской части
России. – М., 1994. – 190 с.
4. Попов В. К. Математическое моделирование динамики хода роста, реакций на рубки ухода березовых и сосновых насаждений [Текст] / В. К. Попов,
B. C. Петровский, С. А. Черепухин. – Воронеж: ВГЛТА, 1999. – 128 с.
5. Сеннов, С. Н. Уход за лесом (экологические основы) [Текст] / С. Н.
Сеннов. М.: Лесн. пром-сть, 1984. – 128 с.
17
УДК 630*232.+630*174.754
РОСТ И СОСТОЯНИЕ КУЛЬТУР СОСНЫ ОБЫКНОВЕННОЙ
И СОСНЫ КРЫМСКОЙ В УСЛОВИЯХ СУХОЙ СТЕПИ НА
ПРИЕРУСЛАНСКИХ ПЕСКАХ
В.Ф. Перов
Саратовский государственный аграрный университет им. Н.И. Вавилова
В результате исследований было установлено, что в условиях местопроизрастания
свежего бора (А2) культуры сосны обыкновенной формируют насаждения III класса бонитета, а сосны крымской IV.
Приерусланские пески, входящие в зону деятельности Дьяковского
лесхоза, расположены по среднему течению р. Еруслан (левый приток Волги)
между селами Усатово Саратовской области и Салтово Волгоградской области.
Общая площадь песков по лесоустройству 1994 г. Составляет 16700 га. Они
представлены двумя песчаными массивами: по правому берегу р. Еруслан –
10963 га и левому – 5737 га. Оба массива расположены на 1 надпойменной террасе р. Еруслан. В генетическом отношении пески представляют собой древнеаллювиальные отложения р. Еруслан. В минералогическом составе преобладают: кварц – 91%, полевой шпат – 4%, кальцит – 0,5%, магнезит – 0,4%, каолинит, другие минералы – 4,1%. Все Заволжские пески Н.С. Зюзь [2] относит к
группе полимиктовых песков. Они отличаются повышенным содержанием карбонатов и глинистых минералов. В целом эти пески обладают значительным
потенциальным плодородием, по сравнению с кварцевыми песками Дона и
Днепра. В гранулометрическом составе преобладают фракции среднего и мелкого песка.
Рельеф Приерусланских песков отличается большим разнообразием от
равнинно-волнистых до среднебугристых. Пески отличаются благоприятным
водным режимом. Грунтовые воды залегают от 0,8 – 1 м в микропонижениях до
5 – 7 м под вершинами бугров. Растительность песчаного массива довольно
разнообразна и зависит от форм рельефа и глубины залегания грунтовых вод.
На равнинных местоположениях преобладает типчаково-ковыльная ассоциация, на холмисто-бугристых - чабрецово-полынная, в небольших микропонижениях – разнотравно-луговая.
В более глубоких микропонижениях произрастают естественные чистые и
смешанные березовые и березово-осиновые колковые насаждения. В микропонижениях, подстилаемых с глубины 1,5 – 1,7 м суглинистыми прослойками
произрастают дубовые колковые насаждения с примесью березы и осины.
Работы по облесению песков были начаты с 1910 – 1912 годов и связаны с организацией в 1908 г. Нижнее-Волжской песчано-овражной партии, организатором и руководителем которой был Красильников, а с 1913 г. – Н.И. Сус.
©
Перов В.Ф., 2007
18
Изучением роста и состояния культур сосны на песках Дьяковского
лесхоза кафедра лесомелиорации начала с 1968 г. Были заложены двенадцать
постоянных пробных площадей, на которых проводилась периодическая таксация. Последняя таксация проведена в 1999 году.
В данной статье мы проводим таксационную характеристику двух
пробных площадей, заложенных в наиболее типичных культурах сосны обыкновенной и сосны крымской.
Пробная площадь 1 была заложена в кв. 112, выделе 2 на участке 86летних приспевающих насаждений сосны обыкновенной, площадь участка 10
га, рельеф мелкохолмистый. Почвы дерново-степные маломощные связнопесчаные на мелкозернистом кварцевом песке. Грунтовые воды залегают от 1,5 м в
межхолмовых понижениях до 3 – 3,5 м на вершинах холмов. Тип лесорастительных условий (ТЛУ) приближается к свежему бору (А2). Культуры были заложены в 1913 г. Обработка почвы проводилась по системе зяблевой вспашки
конным плугом на глубину 18 – 20 см. Посадка культур проводилась 2-летними
сеянцами сосны под меч Колесова с размещением 1,5х0,5 – 0,6 м с общим количеством посадочных мест до 13 тыс. шт. на 1 га. Уходы за культурами проводились в течение 3 лет ручным способом с помощью мотыги.
Таксационная характеристика культур приведена в таблице. Анализируя
эти показатели необходимо отметить, что культуры сосны в ТЛУ А2 формируют насаждения III класса бонитета с запасом древесины на 1 га 315 м3. Сравнивая основные таксационные показатели с нормальными насаждениями по всеобщим таблицам хода роста А.В. Тюрина, можно отметить, что они очень близки по сумме площадей сечений, высоте, диаметру, текущему приросту. Значительная разница наблюдается по числу деревьев – 8 %, это привело к существенной разнице и по запасу на 12 %. Меньшее число деревьев в исследуемых
культурах объясняется более интенсивным естественным изреживанием, вызванное, как объясняет В.В. Миронов [4], недостаточной водообеспеченностью
насаждений в условиях сухой степи. Аналогичное явление наблюдал И.И.
Даньшин при изучении культур сосны на песках Нижнего Дона.
Пробная площадь 2 была заложена в кв. 59, выделе 11 на участке 65летних культур сосны крымской. Площадь участка – 6,5 га. Рельеф и почвогрунтовые условия аналогичны пробной площади 1. Культуры были заложены
в 1934 году по сплошь обработанной почве 2-летними сеянцами с размещением
1,5 х 0,5 – 0,6 м. Посадка проводилась под меч Колесова. Уходы за культурами
проводились ручным способом в течение 3 лет.
Анализируя таксационные показатели, можно отметить, что культуры
сосны крымской в ТЛУ - А2 формируют насаждения IV класса бонитета с запасом древесины 181 м3 на 1 га. Текущий прирост за последнее десятилетие выше
среднего и составил 4,8 м3/га. Насаждения находятся в хорошем состоянии.
Сравнивая таксационные показатели сосны крымской с сосной обыкновенной в
аналогичном возрасте необходимо отметить, что они очень близки. Существенная разница наблюдается по высоте. Это можно объяснить биологическими
особенностями сосны крымской.
Таблица
Таксационная характеристика культур сосны обыкновенной и сосны крымской в Дьяковском лесхозе
(Приерусланские пески)
№
Порода
Пробной
площади
1
Сосна обыкн.
2
Сосна крым.
по ТХР
А.В. Тюрина
Т
Л
У
Возраст, лет
Средние Запас, Прирост
Пол3
Н, м D, см м /га Сред- Те- нота
ний кущи
й
Число деревьев на 1 га
Сохранность,
%
Площадь
поперечного сечения, м2
760
6,6
940
7,3
818
33,5
21,2
23,3
315,0
3,7
6,5
0,85
III
Видовое
чис
ло
0,46
26,2
13,3
21,3
181,0
3,1
4,8
0,92
IV
0,52
34,4
21,4
24,1
354,0
7,9
6,4
1,00
III
0,48
А2 приспевающие
86
А2 средневозрастные
65
86
Бонитет
19
25
Высота, м
20
15
Сосна об.
Сосна крым.
10
5
0
0
10
20
30
40
50
60
65
70
80
86
Возраст, лет
Рисунок Ход роста по высоте сосны обыкновенной и сосны крымской
90
20
По исследованиям Ф.Н. Харитоновича [5] и И.С. Матюк [3] было установлено, что до 40-летнего возраста сосна крымская отстает в росте по высоте
от сосны обыкновенной, что подтверждается на графике хода роста по высоте.
Кроме того, сосна крымская более требовательна к плодородию почвы. Она хорошо растет на свежих глубоких суглинистых почвах. Успешно растет и на
песках при наличии в почвенно-грунтовой толще на корнедоступной глубине
погребенных почв или суглинистых прослоек. По данным В.Н. Виноградова
[1], на Нижнеднепровских песках рост и продуктивность сосны крымской значительно увеличивается с улучшением типа лесорастительных условий, от V
бонитета в ТЛУ А2-1 до I в ТЛУ С2-1 с запасом древесины от 96 до 320 м3 на 1 га.
Анализируя ход роста в высоту сосны обыкновенной, необходимо отметить, что наиболее интенсивный рост наблюдается от 10 до 30 лет, среднегодовой прирост составил от 34 до 44 см в год, от 30 до 40 лет прирост составил 21
– 24 см и от 40 до 60 лет он составил 15 см в год. У сосны крымской наоборот
до 40 лет среднегодовой прирост составил от 12 до 24 см. Максимальный прирост в высоту наблюдался от 50 до 60 лет и составил 30 см в год, что полностью
подтверждает данные Ф.Н. Харитоновича и И.С. Матюк.
На основании проведенных многолетних исследований можно сделать
следующие выводы и предложения:
1. Несмотря на жесткие климатические условия сухой степи, культуры сосны
обыкновенной и сосны крымской на Приерусланских песках формируют устойчивые лесные насаждения III и IV класса бонитета с запасом древесины до 315 м3 на
гектар, которые успешно перенесли жесткую засуху 1972 года и в 86-летнем возрасте имеют хорошее состояние с текущим приростом свыше 6 м3 на 1 га.
2. Отличительной особенностью роста культур в условиях сухой степи является
усиленное естественное изреживание насаждений, значительное снижение прироста в высоту, начиная с 40 – 50-летнего возраста, что приводит к снижению
бонитета в условиях местопроизрастания свежего бора (А2) от I в 20-летнем
возрасте до III в 60-летнем.
3. Выращивание сосны крымской в условиях местопроизрастания свежего бора
(А2) в дальнейшем считаем нецелесообразным, поскольку она значительно устуапет в росте и производительности сосне обыкновенной.
Библиографический список
1. Виноградов, В. Н. Освоение песков. [Текст] / В. Н. Виноградов. – М.:
Колос, 1980. – 272 с.
2. Зюзь, Н. С. Культуры сосны на песках Юго-Востока. [Текст] / Н. С.
Зюзь. – М.: Агропромиздат, 1990. – 155 с.
3. Матюк, И. С. Устойчивость лесонасаждений. [Текст] / И. С. Матюк. –
М.: Лесная пром-сть, 1983. – 136 с.
4. Миронов, В. В. Экология хвойных пород при искусственном лесовозобновлении. [Текст] / В. В. Миронов. – М.: Лесная пром-сть, 1977. – 274 с.
5. Харитонович, Ф. Н. Биология и экология древесных пород. [Текст] / Ф.
Н. Харитонович. – М.: Лесная пром-сть, 1968. 304 с.
21
УДК 630*232.31+630*176.282
УРОЖАЙНОСТЬ И КАЧЕСТВО ПЛОДОВ ОРЕХА ГРЕЦКОГО
В.А. Славский
Воронежская государственная лесотехническая академия
Определены качественные и количественные показатели, выявлены зависимости урожайности плодов ореха грецкого в зависимости от генотипа и условий произрастания.
Орех грецкий - (Juglans regia L), принадлежит к семейству ореховых Juglandaceae Lindl Орехоплодные породы являются уникальными растениями,
имеющими пищевое, лечебное и лесохозяйственное значение. По содержанию
биологически активных веществ - жиров, белков, углеводов, витаминов и микроэлементов – его плоды служат полноценным и сбалансированным продуктом
питания. Они обладают целебными и важными в техническом отношении свойствами.
Плод состоит из сросшихся между собой чешуек прицветника и околоцветника
(см. рис.)- Мясистый наружный околоплодник ореха состоит из трех тканей: наружной тонкой кожистой оболочки, средней толстой сочной ткани паренхиматического
типа и внутренний проводящей тка ни,
питающей орех. Разведение орехоплодных пород является составной частью
системы мероприятий по повышению
производства продовольствия. Орехи - и
пища, и лекарство. Известно, что нормой
потребления этой пищи является 3 кг ядра
в год на 1 человека, в то время как на территории бывшего СССР производилось
только 0,2 кг. Проблема обострилась еще
сильнее с распадом Советского Союза орехосеющая зона ограничилась Краснодарским краем и в меньшей степени Ростовской областью. Поэтому осеверение
культуры грецкого ореха является
Рисунок Плод ореха грецкого
актуальной проблемой. В связи с этим
интродукция грецкого ореха в Воронежской области является все более актуальной проблемой. По свидетельству многих авторов [4, 5, 6] необходимо создавать культуры грецкого ореха из семян местных зимостойких форм.
На плантации Новоусманского лесхоза, которая создана посевом семян местной репродукции, был проведен отбор ценных местных форм
ореха грецкого по урожайности и качеству плодов.
©
Славский В.А., 2007
22
Кроме того, зимостойкость растений должна быть на высоком уровне, поскольку данный показатель является основным для климатических условий
Воронежской области. Отбор проводился по прямым признакам, согласно
рекомендациям М.М. Вересина с соавторами [1, 5]. В хозяйственном отношении наиболее ценны следующие показатели плодов: размер ядра, его
вес, выход ядра, цвет, консистенция и вкус ядра.
Как известно, оценка исходных форм по потомству связана с большими затратами времени, поэтому в современном плодоводстве сначала
дают предварительную оценку сорта, а оценка потомства производится с
помощью дисперсионного анализа [3].
Масса плодов ореха у деревьев местных форм имеет значительные
колебания (от 2 до 14 г). Показатель силы влияния фактора генотипа для
данного признака – ή2x= 42 %, а для толщины скорлупы – 39 %. Для показателей, характеризующих размеры ореха, выявлены следующие результаты: для длины - 14 %, для размеров ореха по створкам и по ребрам 22 и
10 % соответственно. Следовательно, наименьшее влияние генотипа отмечено для размеров орехов (особенно по ребрам). Анализ этих параметров показал, что у наблюдаемых деревьев отмечена большая стабильность
для выхода ядра -сила влияния фактора А (формы) = 40 %, фактора В (среды) = 21 %. Для толщины скорлупы – 41 и 29 % соответственно. Для массы плода влияние факторов внешней среды остается высоким. Для размеров ореха по длине (l) и по створкам (d2) – примерно одинаковая сила
влияния обоих факторов.
Изучена изменчивость показателей качества плодов у отдельных деревьев ореха грецкого. Отмечено большое влияние условий среды на массу плода, толщину скорлупы и размеры плода (кроме размеров по ребрам
(d1)). Диаметр плодов ореха по ребрам и показатель выхода ядра у местных форм ореха в меньшей степени зависят от факторов среды.
Таким образом, можно сделать вывод о том, что большое влияние на
размер плодов и, следовательно, на выход ядра, оказывают климатические
условия. Но поскольку показатели качества плодов наследуются в высокой степени (более 0,8) [2], то предварительный отбор лучших деревьев в
качестве родителей и скрещивание между ними могут существенно улучшить последующее поколение. Следовательно, отобранные по селектируемым признакам, выраженным в наибольшей степени, деревья ореха
грецкого местных форм, составляют перспективную группу для дальнейшей селекции. Проводились морфологические замеры параметров плодов
с лучших деревьев местной репродукции (табл.1).
Из таблицы следует, что морфологические показатели орехов у исследуемых деревьев значительно отличаются, вероятно, из-за отсутствия опыления. Так, например, показатели плодов у деревьев № В-4-7 и В-9-3 очень низкие, т.к. не было мужских сережек ни на одном растении, окружающим данные
23
деревья. Средняя масса ореха у исследованных форм составила 6,1 г, максимальная - 9,3 г. Более крупные орехи имеют хорошо развитый околоплодник.
Тип цветения у деревьев, является постоянным, но обмерзание или частичное подмерзание мужских сережек задерживает их развитие и протоандричные формы проявляют гомогамный тип цветения. У гомогамных деревьев
частичное подмерзание мужских сережек и задержка пыления ведет к появлению протогинии.
Таблица 1
Морфологические показатели плодов ореха грецкого
№
дерева
B-5-22
B-1-21
B-1-38
B-3-4
B-4-7
B-9-3
B-5-2
B-7-1
Среднее
Тип Изм.
цвет. шт.
нет
п-а
п-а
г-г
п-а
п-а
г-г
п-г
4
7
8
3
4
4
11
2
43
Морфологические признаки плодов орехов
В околоплоднике
Без околоплодника
Показатели
Ср.
Ср.
Ψ,
Ср.
размеры, мм
размеры, мм
масса,
масса, %
масса,
d2
l
d1
d2
l
d1
г
г
г
21,3 36,8 34,8 33,2 5,7 27,3 24,7 26,9 15,6 26,8
23,6 31,2 35,8 33,5 6,0 27,6 26,0 26,1 17,6 25,4
26,3 38,8 36,8 36,8 7,0 30,5 27,4 29,9 16,6 26,6
29,3 38,3 36,2 38,6 7,3 30,0 28,8 28,1 22,0 24,9
13,2 30,1 28,8 29,8 4,0 23,3 23,4 23,4 9,2 30,3
16,4 35,7 33,0 35,8 4,4 26,3 3,4 24,9 12,0 26,8
16,2 34,3 30,1 30,9 4,8 27,0 23,7 23,9 11,4 29,6
37,9 46,1 40,0 40,8 7,9 35,6 29,1 29,9 30,0 20,8
23,0 36,4 34,4 34,9 5,9 28,4 25,8 26,6 16,8 26,4
Ψ – отношение массы ореха к массе околоплодника, %
Примечание: Средняя масса орехов в околоплоднике и без околоплодника
указана для сырой массы плодов орехов.
Возраст
лет
Урожайность деревьев зависит от возраста насаждений, условий произрастания и очень сильно от климатических факторов. Особенно сильно на
урожайность ореха грецкого влияют поздние весенние заморозки, в процессе
чего может отмечаться подмерзание сережек. Растения ореха грецкого, отличающиеся зимостойкостью, могут переносить низкие температуры практически
безболезненно.
В табл. 2 приведены данные, характеризующие урожайность ореха грецкого в Новоусманском лесхозе. Очевидно, что на деревья оказана рекреационная нагрузка, вследствие чего, урожайность несколько снижена.
Таблица 2
Урожайность форм местной и украинской репродукции
Средняя уроКол-во деревьев, шт.
Выход
жайность,
Наименование форм
ядра, %
кг/дер.
с плодами всего
Местные формы
45
19
20
3,5
47,5
Владимирская АЛОС, 21-30 29
5
7
5,0
48,3
Владимирская АЛОС, 9-30
29
21
34
4,5
50,0
Владимирская АЛОС, 6-36
29
24
32
4,0
47,7
Умань
29
61
140
3,0
45,8
24
Из таблицы следует, что деревья местной репродукции уступают по урожайности украинским формам. Вероятно, возраст и отсутствие ухода влияют на
величину урожая, поскольку местные формы не уступали по качеству плодов
(выход ядра для всех форм составлял от 45 до 50 %). Средняя урожайность составляла 3-5 кг с дерева, но на лучших деревьях данный показатель достигал 710 кг.
Таким образом, можно сделать вывод о том, что местные формы ореха
грецкого превосходят южные по зимостойкости, имеют сопоставимое качество
плодов, но уступают по урожайности. Наиболее целесообразно создавать культуры семенами местных форм, поскольку именно зимостойкость является основным лимитирующим признаком при интродукции ореха грецкого в Воронежскую область.
Библиографический список
1. Вересин, М. М. Расширять посадки орехоплодных культур [Текст] / М.
М. Вересин // Сад и огород. – 1958. - № 12. – С. 57-63.
2. Команич, И. Г. Биология, культура, селекция ореха грецкого [Текст] /
И. Г. Команич. – Кишинев: Штиинца, 1980. – 144 с.
3. Масюкова, О. В. Методы селекционно-генетических исследований
плодовых пород [Текст] / О. В. Масюкова // Штиинца. - Кишинев, 1973.- 17 с.
4. Николаев, Е. А. Орех грецкий в Воронежской области [Текст]: автореф. дис. … канд. биол. наук: 06.03.01 / Е.А. Николаев. – Воронеж, 1971. – 20 с.
5. Орехоплодные древесные породы [Текст] / Ф.Л. Щепотьев [и др.]. -М.:
Агропромиздат, 1985. – 224 с.
6. Славский, В. А. Интродукция и селекция ореха грецкого в Воронежской области [Текст]: автореф. дис. … канд. с.-х. наук: 06.03.01 / В. А. Славский. – Воронеж, 2006. – 24 с.
25
РАЗДЕЛ II ЛЕСНОЕ БИОРЕСУРСОПОЛЬЗОВАНИЕ,
ЗАЩИТНОЕ ЛЕСОРАЗВЕДЕНИЕ
УДК 630.24 + 630.237.4
ВЛИЯНИЕ КОМПЛЕКСНОГО УХОДА ЗА ЛЕСОМ НА
УСТОЙЧИВОСТЬ ЛЕСНЫХ ФИТОЦЕНОЗОВ
Н.В. Беляева
Санкт-Петербургская государственная лесотехническая академия
Приведены результаты исследований влияния комплексного ухода за лесом (сочетания рубок ухода с внесением минеральных удобрений) на устойчивость лесных фитоценозов.
Установлено, что при рациональном режиме комплексного ухода за лесом с учетом породы и
типа леса устойчивость лесных фитоценозов не нарушается, а по сравнению с рубками ухода
даже повышается.
Одной из центральных проблем в лесоводстве является проблема устойчивости насаждений в условиях антропогенного воздействия. Обычно имеют в
виду устойчивость при конкретных воздействиях, предполагая, что система
должна быть устойчивой к одному виду воздействия и неустойчивой – к другому. В нашем исследовании мы рассматривали устойчивость лесного биогеоценоза к разным режимам комплексного ухода за лесом.
Несмотря на кажущуюся простоту и очевидность такого понятия, как
устойчивость, до сих пор в экологии не выработано его однозначного общепринятого понимания, отсутствуют также соответствующие удовлетворительные математические формулировки. Устойчивость связана с рядом других терминов, близких по содержанию: целостность, стабильность, живучесть, надежность, норма, инвариантность, адаптация, гомеостаз и др. [5].
По мнению В. А. Соловьева [5], для описания устойчивости экосистемы
наиболее важны, во-первых, понятия резистентности, упругости, гомеостаза, гемоотакса, не связанные непосредственно со временем, и, во-вторых, релаксация, гомеорез и инерционность, связанные с изменениями экосистемы во времени. Именно их и следует рассматривать, исследуя устойчивость лесной экосистемы к воздействию извне, в данном случае к применению комплексного ухода за лесом.
Устойчивость экосистемы в значительной степени определяется устойчивостью биоценоза [5]. Соответственно устойчивость лесного фитоценоза определяется устойчивостью его компонентов и, прежде всего, его эдификатора и
доминанта, т.е. древостоя. Мы, говоря об устойчивости, понимаем под этим
способность лесного фитоценоза восстанавливать свои параметры после воздействия на него извне (рубки ухода, комплексный уход за лесом), а также оцениваем устойчивость по скорости восстановления данных параметров.
©
Беляева Н.В., 2007
26
Наиболее ярко отражает устойчивость древостоя динамика текущего
прироста, отпад и их соотношение. По этим показателям можно судить о скорости восстановления параметров древостоя после воздействия на него извне.
Исследования проводились на стационарных опытных объектах рубок
ухода и комплексного ухода за лесом, заложенных в средневозрастных сосновых и еловых насаждениях преимущественно кисличных, черничных и брусничных типов леса на территории ГОЛС «Сиверский лес». Во всех случаях выделялись контрольные; разреженные рубками ухода; разреженные и удобренные варианты опыта. Краткая характеристика объектов исследования приведена в табл.1.
Таблица 1
Краткая характеристика объектов исследования
10-1
Год
закладки
1974
10-2
1974
№
ПП
10-3
1974
11-1
1973
11-2
1973
11-3
1973
5-1
1971
5-2
1971
5-3
1971
12-1
12-2
1976
1976
12-3
1976
6-3
1971
6-2
1971
6-5
1971
Вариант опыта
Контроль
Двукратная рубка (1974, 1983
гг.)
Двукратная рубка (1974, 1983
гг.) + трехкратное удобрение
(1974, 1979,
1986 гг.)
Контроль
Трехкратная рубка (1973,
1983, 1993 гг.)
Трехкратная рубка (1973,
1983, 1993 гг.) + двукратное
удобрение (1973, 1983 гг.)
Контроль
Двукратная рубка (1971, 1981
гг.)
Двукратная рубка (1971, 1981
гг.) + двукратное удобрение
(1972, 1982 гг.)
Контроль
Рубка (1973 г.)
Рубка (1973 г.) + двукратное
удобрение (1974, 1977 гг.)
Контроль
Двукратная рубка (1971, 1981
гг.)
Рубка (1971 г.) + трехкратное
удобрение (1972, 1977, 1982
гг.)
6-6
1971
Двукратная рубка (1971, 1981
гг.) + двукратное удобрение
(1972, 1982 гг.)
6-9
1971
Рубка (1971 г.)
Исходный
состав
древостоя
8Е1Б1Ос+С
Исходный
возраст,
лет
47
10Е ед.С,Б,Ос
47
8Е1С1Б+Ос
47
9Е1Б
35
9Е1Б
35
9Е1Б
48
10С ед. Б, Ос
48
10С ед. Б, Е
48
10С+Б. ед.Е
10С ед. Б, Е
47
47
10С ед. Б, Е
47
10С ед. Б
36
10С ед. Б
36
10С ед. Б
40
10С ед.
Тип
леса
II
Е.
черн.
Ia
Е.
кисл.
I
С.
черн.
вл.
II
С.
черн.
вл.
I
С
брусн.
35
10С ед. Б
10С ед. Б
Класс
бонитета
40
45
Продолжительность периода наблюдений – 30 лет. На опытных объектах за
27
этот период проведены 1-3 приема рубки и от 1 до 3 раз вносили азотные удобрения с интервалом в 5 или 10 лет. Дозы вносимого азота – 150-180 кг/га по д.в.
Удобрения применяли в начале вегетационного сезона, сразу после рубки ухода.
В соответствии с программой исследований на опытных объектах детально анализировалась динамика текущего прироста древостоев. В этих целях
на пробных площадях с периодичностью в 5 лет проводилась их таксация методом сплошных перечетов [2, 4]. Расчет текущего прироста выполнялся в соответствии с ГОСтом 18264-72.
Запасы сухостоя вычисляли по таблицам высот и объемов стволов (в коре) для древостоев Ленинградской, Архангельской и Вологодской областей.
Точность определения величины отпада не превышала + 3%. Проанализируем
полученные результаты.
В сосняках и ельниках на протяжении всего периода наблюдений величина
текущего прироста в варианте с комплексным уходом в 1,5-2 раза выше по сравнению, как с контролем, так и с вариантом, где проводились рубки ухода (рис.1).
Ельник кисличный ПП 11
15
10
5
Контроль
0
1
2
3
4
м3/га в год
м3/га в год
Ельник черничный ПП 10
Рубка
5
30
25
20
15
10
5
0
Контроль
Рубка
Комплексный
уход
1
Комплексный
уход
Пятилетие
Рубка
1
2
3
4
5
6
м3/га в год
м3/га в год
Контроль
0
Комплексный
уход
Пятилетие
Контроль
Рубка
Комплексный
уход
1
10
Рубка
Комплексный
уход
5
0
4
Пятилетие
2
3
4
5
6
Сосняк брусничный ПП 6-3, 6-9, 6-5
5
6
м3/га в год
м3/га в год
Контроль
3
6
Пятилетие
15
2
5
14
12
10
8
6
4
2
0
Сосняк брусничный ПП 6-3, 6-2, 6-6
1
4
Сосняк черничный ПП 12
15
5
3
Пятилетие
Сосняк черничный ПП 5
10
2
15
Контроль
10
Рубка
5
Комплексный
уход
0
1
2
3
4
5
6
Пятилетие
Рис. 1 Текущий прирост в еловых и сосновых древостоях по вариантам опыта
28
Восстановление текущего прироста до уровня контроля (рис.1) в сосняках и
ельниках происходит в среднем за 5 лет при проведении комплексного ухода в период с благоприятными погодными условиями (ПП 10-3, 5-3, 6-5, 6-6), что в 2 раза
быстрее, чем при рубках ухода. Если уход начат в худших условиях, период восстановления текущего прироста растягивается на более длительное время – до 15
лет (ПП 11-3, 12-3), но и это быстрее чем при рубках ухода.
Таким образом, исследования интенсивности восстановления текущего
прироста показали, что удобрения, внесенные в разреженные насаждения, ускоряют восстановительные процессы в среднем в 1,5-2 раза и соответственно
повышают устойчивость древостоя по сравнению, как с контролем, так и с рубками ухода.
Судить о характере и напряженности конкурентных отношений в древостое,
его устойчивости и, соответственно, успешности того или иного лесохозяйственного мероприятия позволяет также анализ величины и структуры отпада в насаждениях, пройденных рубками ухода и комплексным уходом за лесом (табл.2).
Таблица 2
Отпад в еловых и сосновых древостоях за 30 лет в
Тип леса –
Отпад по вариантам опыта, м3/га
№ пробной площади
Контроль Рубка ухода
Комплексный уход
Е черн. - ПП серии 10
65
34
17
Е кисл. - ПП серии 11
165
74
84
С черн.вл. - ПП серии 5
79
31
5
С черн.вл. - ПП серии 12
79
39
38
С брусн. - ПП 6-3, 6-2, 6-6
99
18
33
С брусн. - ПП 6-3, 6-9, 6-5
99
16
47
Как показывают данные табл. 2, отпад за 30 лет и в сосновых, и в еловых
древостоях, пройденных комплексным уходом за лесом (ПП 10-3, 11-3, 5-3,
12-4, 6-5, 6-6), в 2-3 раза ниже, чем на контроле.
В разреженных и удобренных высокопродуктивных древостоях
(ПП 11-3, 6-6, 6-5) итоговый отпад за 30 лет оказался в среднем 1,5 раза выше,
чем на участках, где проводились только рубки ухода (ПП 11-2, 6-2, 6-9), что
обусловлено интенсификацией биокруговорота и продукционных процессов,
следствием которых является незначительное увеличение естественного отпада
для сохранения устойчивости системы.
В древостоях же меньшей продуктивности (ПП 10-3, 5-3, 12-3) отпад
был ниже, чем в сопоставляемых вариантах с рубками ухода (ПП 10-2, 5-2,
12-2).
Все это говорит о том, что возможности повышения устойчивости древостоя путем применения удобрений в системе комплексного ухода за лесом
ограничены. И эти возможности тем ниже, чем лучше условия местопроизрастания для конкретной породы в данной лесоклиматической зоне.
Таким образом, анализ величины и структуры отпада не позволил нам
29
сделать однозначно положительный вывод о возможности повышения устойчивости сосновых и еловых древостоев с помощью регулярного комплексного
ухода за лесом. В то же время исследования интенсивности восстановления текущего прироста показали, что благодаря данному лесохозяйственному мероприятию текущий прирост древостоев и скорость его восстановления до уровня
контроля в 1,5-2 раза выше по сравнению с пробными площадями, пройденными только рубками ухода.
В связи с этим для разрешения возникшего противоречия нами был введен такой показатель, который включал бы одновременно и текущий прирост, и
отпад. Таким показателем является соотношение величин отпада и текущего
прироста в древостоях, пройденных рубками ухода и комплексным уходом за
лесом.
Кроме того, этот показатель наиболее хорошо отражает два основных
«механизма», обеспечивающих устойчивость лесного биогеоценоза воздействию извне:
1) Гомеостаз – способность нарушенной системы возвращаться в
прежнее состояние устойчивого равновесия [3].
2) Упругость, характеризующую скорость возврата системы к исходному состоянию после выведения ее из состояния равновесия [3].
Результаты исследований представлены в табл. 3 и на рис. 2.
Таблица 3
Отпад и текущий прирост в сосновых и еловых древостоях за 30 лет наблюдений
Отпад по вариантам
опыта, м3/га за 30 лет
Пробная
площадь
ПП серии 10
ПП серии 11
ПП серии 5
ПП серии 12
ПП 6-3 (К), 6-2
(РУ), 6-6 (КУ)
ПП 6-3 (К), 6-9
(РУ), 6-5 (КУ)
Текущий прирост по
вариантам опыта,
м3/га за 30 лет
КомКон- Рубка плекс
троль ухода ный
(К)
(РУ)
уход
(КУ)
177
144
213
268
228
280
262
223
220
290
262
247
Процент отпада от текущего прироста по
вариантам опыта, %
КомКон- Рубка плекс
троль ухода ный
(К)
(РУ)
уход
(КУ)
37
24
8
62
32
30
30
14
2
27
15
15
Контроль
(К)
Рубка
ухода
(РУ)
65
165
79
79
34
74
31
39
Комплекс
ный
уход
(КУ)
17
84
5
38
99
18
33
242
210
298
41
9
11
99
16
47
242
279
311
41
6
15
Анализ результатов, приведенных в табл.3, показывает, что отпад в ельниках черничных (ПП 10-3) и кисличных (ПП 11-3), пройденных комплексным
уходом за лесом, составляет соответственно 8 и 30% от текущего прироста, на
контроле (ПП 10-1 и 11-1) – 37 и 62% и на секциях, пройденных рубками ухода
(ПП 10-2 и 11-2) – 24 и 32%.
Сравнивая полученные данные, мы видим, что скорость возврата лесной
экосистемы в состояние устойчивого равновесия на секциях с комплексным
30
уходом (ПП 10-3 и 11-3) в 2-3 раза выше, чем на контроле (ПП 10-1 и 11-1)
(рис.2).
70
60
%
50
40
К
30
РУ
20
КУ
10
0
ПП 10
ПП 11
ПП 5
ПП 12
ПП 6-6
ПП 6-5
Пробные площади
Рис. 2 Процент отпада от текущего прироста в сосновых и еловых древостоях
за 30 лет наблюдений
В ельниках (ПП 10-2, 11-2), пройденных рубками ухода, этот показатель
только в 1,5-3 раза выше по отношению к контролю (ПП 10-1, 11-1), что свидетельствует о большей возможности повышения устойчивости еловых древостоев с помощью комплексного ухода за лесом, нежели только с помощью рубок
ухода.
На основании вышесказанного можно с уверенностью говорить о том,
что комплексный уход в еловых древостоях повышает упругость лесной экосистемы и, соответственно, устойчивость данных древостоев.
Сходные закономерности наблюдаются и в сосновых древостоях. Дальнейший анализ табл.3 показывает, что отпад в сосняках черничных влажных
(ПП 5-3, 12-3) и брусничных (ПП 6-6, 6-5), пройденных комплексным уходом
за лесом, составляет соответственно 2, 15, 11 и 15% текущего прироста, на контроле (ПП 5-1, 12-1, 6-3) – 30, 27 и 41% и на секциях, пройденных рубками ухода (ПП 5-2, 12-2, 6-2 и 6-9) – 14, 15, 9 и 6%.
Мы видим, что и в сосновых древостоях (ПП 5-3, 12-3, 6-6, 6-5) скорость
возврата лесной экосистемы в состояние устойчивого равновесия на участках,
пройденных комплексным уходом (ПП 5-3, 12-3, 6-6, 6-5) и рубками ухода (ПП
5-2, 12-2, 6-2 и 6-9), в 2-3 раза выше, чем на контроле (ПП 5-1, 12-1, 6-3).
Однако для сосняков следует отметить одну особенность, связанную,
прежде всего, с биологией данной породы и лесорастительными условиями
(табл.3, рис.2).
В сосняках черничных влажных (ПП 5-3 и 12-3), на избыточно увлажненных
почвах, после комплексного ухода, процент отпада от текущего прироста значительно меньше, чем после рубок ухода, что объясняется повышением активности мелких корней деревьев после внесения минеральных удобрений в разреженные древостои [1].
В результате этого увеличивается всасывающая способность корней, что
приводит к «подсушиванию» почвы. Благодаря этому в дальнейшем создаются
оптимальные условия для роста и развития сосны, а именно, повышается интенсивность биокруговорота и, соответственно, устойчивость сосняков на из-
31
быточно увлажненных почвах.
В сосняках брусничных (ПП 6-6 и 6-5), в условиях наиболее оптимальных для роста и развития сосны в подзоне южной тайги, наоборот, процент отпада от текущего прироста в 1,5-2 раза больше в древостоях после комплексного ухода за лесом (на ПП 6-6 и 6-5), чем после рубок ухода (ПП 6-2 и 6-9). Внесение удобрений в разреженные сосняки и в этом случае приводит к повышению активности мелких корней деревьев [1]. Однако, в сосняках брусничных, и
на без того относительного сухих почвах, это вызывает еще большее их «иссушение», что приводит к обострению внутривидовой конкуренции в древостое и
увеличению доли отпада в сосняках.
На основании вышесказанного в практических целях можно увеличить
дозу вносимого удобрения в сосняках на избыточно увлажненных почвах и
уменьшить на сухих.
Таким образом, наши исследования доказывают, что при рациональном
режиме комплексного ухода за лесом с учетом породы и типа леса устойчивость лесных фитоценозов не нарушается, а по сравнению с рубками ухода даже повышается.
Библиографический список
1. Банева, Н. А. Изменение массы и активности мелких корней деревьев
при разреживании древостоя и комплексном уходе за лесом [Текст]: автореф.
дисс. …канд. с.-х. наук. – Л., 1985. – 19 с.
2. Давыдов, А. В. Рубки ухода за лесом [Текст]. – М.: Лесн. пром-сть,
1971. – 184 с.
3. Мельников, Е. С. Лесоводственные основы теории и практики комплексного ухода за лесом [Текст]: автореф. дисс. …д-ра c.-х. наук. – СПб.,
1999. – 35 c.
4. Сенов, С. Н. Рубки ухода за лесом. – М.: Лесн. пром-сть, 1977. – 160 с.
5. Соловьев, В. А. Экология и охрана природы. Экосистема [Текст]. – Л.:
ЛТА, 1987. – 84 с.
32
УДК 630.226
РЕКОНСТРУКЦИЯ МАЛОЦЕННЫХ НАСАЖДЕНИЙ
В.А. Бугаев, А.М. Овсянникова
Воронежская государственная лесотехническая академия
Рассмотрены принципы реконструкции малоценных лесов. Описаны способы данных
мероприятий. На примере отдельных объектов представлена методика определения фонда
реконструкции.
Важными задачами лесного хозяйства являются рациональное использование и воспроизводство лесных ресурсов, повышение продуктивности лесов.
В результате решения этих задач предполагается к возрасту спелости осуществить выращивание достаточно устойчивых насаждений с высоким качеством
древесного запаса. Особое место в лесном фонде страны имеют леса, расположенные в центральных, наиболее экономически развитых, густонаселенных
районах. Здесь издавна развивалась лесоэксплуатация. В значительном объеме
она стала выполняться с начала XVIII века преимущественно путем выборочных рубок и даже рубок на прииск. В какой-то мере за счет естественного возобновления поддерживался оптимальный состав насаждений. В середине XIX
века в казенных лесничествах европейской части России впервые проводилось
лесоустройство. Оно рекомендовало повсеместно сплошные рубки с ориентировкой на естественное возобновление. В результате сплошные боры были вырублены, а на лесосеках порослевым путем сформировались насаждения второстепенных пород. На месте вырубленных семенных дубрав образовались дубовые насаждения низкого качества. Вследствие ошибок, допущенных при ведении хозяйства, состояние лесного фонда лесхозов Европейской части России,
ухудшалось.
Сложившееся положение потребовало производить качественную оценку
насаждений. Высоким показателем характеризовались леса, где преобладали
главные породы, на которые ориентировались при ведении хозяйства. Впоследствии такие породы стали именовать целевыми. Насаждения этих пород отличались долговечностью, устойчивостью к неблагоприятным факторам. В них
древесный запас высоко ценился по техническим качествам. Отрицательную
оценку приобретали насаждения, образовавшиеся под влиянием нежелательной
смены пород вследствие исчезновения главных (целевых) пород. Сформировавшийся лес оказался недолговечным, подверженным различным заболеваниям. Древесина имела низкие качественные показатели. Такие насаждения стали
считать малоценными, которые надлежит заменить на более ценные леса с преобладанием главных (целевых) пород.
©
Бугаев В.А., Овсянникова А.М., 2007
33
Стремление заменить малоценный лес на лучшие (ценные) насаждения
вызвало появление термина «реконструкция» малоценных лесов. Реконструкция в прямом смысле означает замену, улучшение, преобразование неблагополучного объекта на лучший. Соответственно выполняемые в лесу работы по
замене на ценные леса стали именовать мероприятиями по реконструкции малоценных лесов. Более определенно об этих мероприятиях впервые отражено в
лесоустроительной инструкции 1964 г. В ней повторялся, как вполне утвердившийся термин «реконструкция».
Такая направленность в лесоустроительном проектировании не была случайной и вызвана неудовлетворительным состоянием лесного фонда в ряде регионов.
Вместе с тем по-прежнему бытовало мнение об успехах советского лесного хозяйства. Конечно, успехи имелись. Показателем этого является широкий масштаб лесоустроительных работ, в результате которых и вследствие осуществления активных
инвентаризационных работ была получена полная характеристика лесных ресурсов и
на основе этого изготовлена карта лесов страны. Положительные результаты по лесоразведению получены при выполнении работ в 1948-1953 г.г. по реализации плана
преобразования природы. Однако недостатки в лесном хозяйстве имелись. О них
умалчивали, либо упоминали вскользь. В этот период был налажен должный учет
лесов. Периодически (примерно, через каждые 5 лет) производился единовременный
по всей стране и регионам учет лесных ресурсов с выпуском специального справочника. Он был доступен каждому лесоводу. Вот тогда-то обнаружилось неблагополучие в лесах в виде наличия насаждений неудовлетворительного состояния. Невольно
в среде лесоводов появилось мнение о необходимости улучшения лесных ресурсов, о
преобразовании малоценных насаждений. Но достаточно четкого понятия о малоценных лесах и каким образом их улучшить не выработалось.
С такой неопределенностью и столкнулись авторы упомянутой лесоустроительной инструкции, хотя в разработке ее принял участие широкий круг
ученых и производственников.
Указанная неопределенность отразилась в инструкции 1964 г. В ней записано, что в лесах с интенсивным лесным хозяйством должна предусматриваться
реконструкция малоценных насаждений, состояние которых не отвечает лесорастительным условиям и задачам, поставленным перед лесным хозяйствам [2].
Чтобы каким-то образом устранить неопределенность в инструкции описаны
малоценные насаждения, подлежащие реконструкции. К ним отнесены молодняки мягколиственных и некоторых других пород, произрастающих в несвойственных им условиях местопроизрастания. Сюда же включены низкополнотные насаждения. В качестве мероприятий рекомендовалась сплошная вырубка
малоценных насаждений с последующей заменой лесокультурным способом на
ценные породы. Также предлагалось создавать лесные культуры в прорубаемых
коридорах, кулисах и т.п. Подобные же мероприятия повторялись и в последующих изданиях лесоустроительной инструкции.
Данному вопросу посвящено немало публикаций, в которых авторы
уточнили перечень реконструктивных мероприятий [1]. М.П. Чернышов [3] для
условий Северного Кавказа приводит классификацию малоценных насаждений.
К ним он относит леса низкопродуктивные (бонитет IV и ниже), низкополнот-
34
ные (полнота 0,5 и меньше), низкотоварные (с небольшим выходом деловой
древесины), обесцененные по составу (доля целевых пород 0,4 и ниже), дегенеративные (неоднократных порослевых генераций).
Описанная классификация распространима не только на Северном Кавказе, но и в других регионах.
Если обратиться к вышеприведенной классификации, то окажется большое множество малоценных лесов. К тому же реконструкция – довольно-таки
сложное и трудоемкое мероприятие даже в интенсивных лесохозяйственных
предприятиях. Поэтому объекты таких работ стали ограничивать. В небольшом
объеме выполнялись они путем сплошной вырубки участков малоценного леса
с последующим созданием лесных культур. Сюда же относились низкополнотные молодняки. Преобладает лесокультурными методами реконструкция.
Некоторое развитие получила реконструкция лесоводственными методами
[1]. Как показал опыт ряда лесхозов, эффект может быть достигнут путем интенсивных рубок в малоценных насаждениях, под пологом которых находятся в
достаточном количестве подрост хвойных пород, либо семенные дубки. В этом
случае допустима почти полная вырубка малоценных пород. В дальнейшем за
счет поросли они восстанавливают свое положение. Но проведение описанного
мероприятия сдерживается рядом обстоятельств. Объекты лесокультурной реконструкции вполне возможно подобрать по материалам лесоустройства. Чтобы
обнаружить участки для лесоводственной реконструкции нужны внимательные
наблюдения в лесу. Не всегда эти участки выявляются лесоустроителями. Вырубленный малоценный древостой быстро отрастает и создается опасность угнетения подроста целевых пород. Требуется повторение интенсивных рубок ухода.
Установлено, что в результате систематического ухода к 30-40 годам формируется устойчивое насаждение из ценных пород. Описанное мероприятие по выполнимости менее трудоемкое по сравнению с лесокультурной реконструкцией.
Необходим только должный подбор участков для лесоводственной реконструкции и целенаправленные рубки ухода в них.
Несмотря на трудоемкость лесокультурная реконструкция распространима главным образом потому, что объекты более различимы. Преимущественно
эти мероприятия выполняются в обесцененных по составу насаждениях. Однако объемы таких работ невелики. В лесоустроительных проектах мероприятия
предусматриваются на небольшой площади. Но даже столь мизерные объемы
лесхозами выполняются не полностью. По данным учета лесного фонда на
01.01.03 г. в 23 лесхозах Воронежской области определены насаждения, нуждающиеся в реконструкции путем создания лесных культур на площади 100 га.
В то же время фонд для создания обычных культур установлен на 2800 га. В
тех же лесхозах предназначено провести рубки реконструкции на площади 1,8
тыс. га, а рубки ухода 44,2 тыс. га и выборочные санитарные рубки – на 14,1
тыс. га. Вероятно, под рубками реконструкции имелось в виду сплошная вырубка малоценных насаждений с последующим включением освободившихся
из-под леса участков в лесокультурный фонд.
Обобщая сказанное, можно подчеркнуть важность реконструктивных мероприятий. Однако большое наличие малоценных насаждений вызывает сомнение в
35
том, что с помощью этих мероприятий можно существенно улучшить состояние
лесного фонда, повысить продуктивность леса. К тому же применимость реконструкции сдерживается ее трудоемкостью и необходимостью в больших финансовых вложениях. Поэтому требуется совершенствование указанных мероприятий и
пересмотр некоторых технологий. Целесообразна сплошная вырубка малоценного
молодняка и более старшего насаждения по пониженному возрасту рубки с последующим созданием здесь культур целевых пород. В низкополнотных молодняках с целью повышения сомкнутости можно производить посадку теневыносливых пород (липа, клен). На наш взгляд, менее перспективно создание культур в
коридорах, кулисах и т.п. Здесь вызывает опасность угнетения культур из-за смыкания межкоридорных пространств. Заслуживает внимания лесоводственная реконструкция. Здесь важно обнаружить малоценные молодняки, под пологом которых имеется достаточное количество подроста ценных пород. Путем систематически проводимых интенсивных рубок ухода устраняются малоценные породы, укрепляются позиции подроста и он выходит в верхний полог.
При проектировании реконструкции необходимо учитывать состояние
подлежащего реконструкции насаждения, целевую породу, способ реконструкции. Целеобразнее упомянутое мероприятие выполнять в насаждениях с обесцененным составом, образовавшихся в результате смены пород, главных на
второстепенные. Лесокультурная реконструкция выполняется коридорным и
сплошным способами. В малоценном насаждении прорубаются коридоры, и в
вырубленной полосе создаются культуры целевой породы. Невырубленные полосы образуют межкоридорное пространство, которое периодически изреживается. Трудоемкость такого способа состоит в том, что необходимо создавать
коридоры, а межкоридорные пространства изреживать, иначе они сомкнутся и
культуры погибнут. Сплошная реконструкция заключается в вырубке малоценного насаждения и последующем создании лесных культур целевой породы на
обезлесенном участке. М.П. Чернышов [4] рекомендует при проектировании
мероприятий учитывать продолжительность полной реконструкции, начиная с
рубки малоценного леса и до перевода преобразованного насаждения в хозяйственно ценное. По его мнению, при коридорном способе в молодняке продолжительность реконструкции составляет 5-8 лет, а при сплошном способе в более старших по возрасту насаждениях продолжительность короче, 4-8 лет. Вероятно, продолжительность можно сократить, если сплошную реконструкцию
выполнять в молодняке.
На примере учебно-опытного лесхоза ВГЛТА, рассмотрены перспективы лесокультурной реконструкции. По данным лесоустройства 1983 г., распределение
лесного фонда по категориям земель таково: покрытые лесом земли – 89,1 %, в том
числе лесные культуры – 24,2 %, несомкнувшиеся культуры – 0,9 %, не покрытые
лесом земли – 1,7 %. Следующее лесоустройство (1993 г.) установило, что доля покрытых лесом земель уменьшилась от 89,1 до 87,6 %, лесных культур соответственно 24,2 и 23,7 %. Но произошло увеличение не покрытых лесом земель от 1,7 до
2,9 %. За указанный период произошли изменения в пределах покрытых лесом земель. В 1983 г. площадь насаждений сосны составляла 38 %, в 1993 г. – 37 %, дуба
– 51 и 49 %, осины – 6 и 7 %, березы – 3 и 4 %, прочих пород – 1 и 2 %; наличие на-
36
саждений ольхи черной не изменилось. Следует отметить, что в 1983 г. и в 1993 г.
среди сосновых насаждений лесные культуры составляли 64 %. Сравним изменение площадей насаждений в абсолютном значении (в гектарах). За 1983-1993 г.г.
площадь покрытых лесом земель уменьшилась от 12331 до 12076 га (на 255 га).
Площадь сосняков сократилась от 4669 до 4407 га (на 262 га), в том числе искусственного происхождения – на 164 га и естественного происхождения – на 98 га.
Площадь дубрав уменьшилась от 6270 до 5985 га (на 285 га). Причем высокоствольных стало больше на 280 га, а низкоствольных меньше на 565 га. Отсюда
можно сделать вывод, что сокращалась преимущественно площадь низкоствольных
малопродуктивных дубрав. Возможно, что при лесоустройстве произведено перераспределение между указанными категориями дубовых насаждений. Что касается
уменьшения наличия сосняков, то по исследованиям кафедры экологии, большой
вред данным насаждениям вызывается распространением очагов корневой губки.
В течение упомянутого периода увеличилась площадь осинников на 110
га и березняков на 79 га. Береза произрастает в тех же условиях Левобережного
лесничества, где и сосна. Здесь наблюдаются антагонистические взаимоотношения обеих пород. Осинники распространены в Правобережной части лесхоза
наряду с дубравами. Поэтому для восстановления дуба лесокультурной реконструкции подлежат осинники.
Выполнение указанных мероприятий должно основываться на лесотипологическом принципе. По данным лесоустройства 1993 г., 70 % осинников произрастают в типе «дубняк осоковый». Отсюда определяется фонд реконструкции. Молодняки I-II классов возраста в указанном типе леса занимают 200 га и
насаждения IV класса возраста – 330 га. Отсюда общий фонд реконструкции
530 га. Период осуществления мероприятий зависит от экономических возможностей лесхоза. В молодняках осины следует рекомендовать коридорный способ. Насаждения IV класса возраста характеризуются высокой фаутностью. Поэтому их надлежит вырубить по пониженному возрасту рубки и произвести
сплошную реконструкцию.
Конечно, путем выполнения описанными способами невозможно коренным образом улучшить лесной фонд. Реконструкция позволит сократить площадь малоценных насаждений и улучшить породный состав леса.
Библиографический список
1. Бугаев, В. А. Реконструкция малоценных лесов [Текст] / В. А. Бугаев,
Н. В. Гладышева. – Воронеж: ВГУ, 1991. – 128 с.
2. Инструкция по устройству государственного лесного фонда СССР
[Текст]. Ч. 2. – М., 1964. – 67 с.
3. Чернышов, М. П. Реконструкция малоценных насаждений Северного Кавказа.
Концепция, термины и определения [Текст] / М. П. Чернышов. – Сочи, 2001. – 108 с.
4. Чернышов, М. П. Принципы и нормативы проектирования реконструкции малоценных насаждений в горных лесах Северного Кавказа [Текст] / М. П.
Чернышов; ВГЛТА. – Воронеж: Вестник ЦЧР отд. Наук о лесе РАЕН ВГЛТА.
Ч. I, 2002. Вып. 4. – С. 138-148.
37
УДК 630*24+630*237.4+630*174.754
ВЛИЯНИЕ РУБОК УХОДА НА ИЗМЕНЕНИЕ ПЛОЩАДИ
СЕЧЕНИЯ ДРЕВОСТОЕВ В СОСНОВЫХ НАСАЖДЕНИЯХ
О.И. Григорьева, А.С. Ледяева
Санкт-Петербургская государственная лесотехническая академия
им. Кирова
Изучено влияние рубок ухода и комплексного ухода на изменение площади сечения сосновых древостоев, а также выявлены закономерности, которым подчиняется это изменение.
Установлены предельные нормы разреживаний сосновых древостоев.
Рубки ухода за лесом необходимое, но в то же время наиболее сложное лесохозяйственное мероприятие. Основная идея рубок ухода за лесом заключатся
в замене естественного отбора искусственным для создания высокородуктивных насаждений. Возможность проведения рубки обусловлена устойчивостью
лесной экосистемы, ее способностью восстанавливать после рубки прежние запас и прирост, структуру и функции. Сложности, связанные с проведением рубок ухода, увеличиваются из-за теоретических разногласий, противоречивости
рекомендаций и погрешностей современной практики, направленной на получение сиюминутной выгоды. Для ответа на конкретные вопросы теории и практики рубок ухода необходимы длительные опыты. В статье приводятся результаты таких опытов, имеющие практическое значение. В перечень критических
технологий Российской Федерации, утвержденных президентом РФ 30 марта
2002 г. Пр-578, включен пункт «Переработка и воспроизводство лесных ресурсов». В приоритетные направления развития науки, технологий и техники Российской Федерации утвержденный президентом РФ 30 марта 2002 г. Пр-577
включено направление «Экология и рациональное природопользование», это
позволяет утверждать, что задача повышения эффективности проведения рубок
ухода является весьма актуальной.
Площадь сечения древостоев и ее изменение после рубок ухода представляет особый интерес. Ее используют для определения относительной полноты,
для установления предельных норм рубок ухода за лесом, для определения запаса вырубленной и оставленной древесины.
Исследования проводились на пробных площадях серий 5 и 6, заложенных в
древостоях Сиверского лесхоза Ленинградской области, размер каждой пробной площади 0,2 га. В табл. 1 представлены первоначальные характеристики
древостоя на постоянных пробных площадях.
©
Григорьева О.И., Ледяева А.С., 2007
38
Таблица 1
Серия
ПП
ПП
5
1
2
3
6
2
3
4
5
7
9
Исходные характеристики сосновых древостоев
ПроведенГод Состав Воз- Бо- Тип
ные мерозадрево- раст, нитет леса
приятия
кладстоя лет
ки
Контроль
1971
10С
43
I
чер.
вл.
Рубка 41 и 1971
10С
43
I
чер.
15%
вл
Рубка 34 и 1971
10С
43
I
чер.
14% +3 раза
вл
удобрения
Рубка 36 и 1971
10С
36
I
бр.
6%
Контроль
1971
10С
36
I
бр.
Контроль+3 1971
10С
40
I
бр.
раза удобрения
Рубка
1971
10С
40
I
бр.
32%+3
удобрения
Рубка 41% 1971
10С
45
I
бр.
по верховому методу
Рубка 49% 1971
10С
45
I
бр.
Число
приемов
таксации
6
6
6
6
6
6
6
6
6
Степень интенсивности на пробных площадях была различна. На пробных
площадях 5-3, 6-2, 6-5 это умеренно-сильная рубка, а на 5-2, 6-7, 6-9 – сильная.
Чтобы понять динамику сумм площадей сечения на пробных площадях и
по таблицам хода роста они сравниваются в табл. 2.
Значения площадей сечения из существующих таблиц хода роста не отражают хода роста древостоев подвергнутых разреживанию. Как видно из табл.
2, площади сечения из таблиц хода роста намного выше, чем на пробных площадях, где были проведены рубки ухода. Наиболее близкие значения площадей
сечения из таблиц хода роста и после комплексного ухода.
Из таблицы видно, что как на пробных площадях, так и по таблицам хода
роста площадь сечения повышается. Согласно таблицам хода роста с возрастом
происходит плавное повышение сумм площадей сечения.
Как показывает анализ полученных данных, на пробных площадях со
слабым верховым и сильным верховым уходом в возрасте 60 лет сумма площадей сечения несколько снижается. Сразу после рубки площадь сечения на контроле 6-3 была выше, чем на пробной площади 6-2 с двухкратным низовым
39
уходом почти в 2 раза. Через 30 лет площадь сечения стала выше на пробной
площади с низовым уходом на 0,9 м2/га.
На пробной площади с комплексным уходом (6-5) в начале площадь сечения была меньше в 1,5 раза на контроле с удобрением, но в последующие 15
лет происходит заметное увеличение площади сечения на пробной площади с
комплексным уходом. Количество деревьев на пробной площади с низовым
уходом 6-9 меньше, чем на пробной площади с верховым уходом 6-8 на 200 деревьев, а площадь сечения – всего на 0,9 м3/га.
Таблица 2
Возрастное изменение суммы площадей сечения.
ПП
Бонитет
Сумма площадей сечения в возрасте, лет
43
48
53
58
63
68
74
5-1
I
23,8
26,2
28,6
27,3
28,1
29,2
31,6
5-2
I
14,7
18,1
18,8
21,3
23,3
25,2
26,5
5-3
I
16,3
20,8
21,7
24,6
26,8
30,1
34,1
Из табI
31,06
31,3
31,9
32,9
34,0
35,0
38,1
лиц хода
роста
6-2
II-I
14,7
17,7
19,4
21,7
23,4
26,0
29,7
6-3
II-I
26,5
28,1
28,4
27,0
27,2
28,3
28,8
ПП
Бонитет
Сумма площадей сечения в возрасте, лет
40
45
50
55
60
65
70
6-4
II-I
26,2
28,3
30,4
29,4
29,2
29,8
31,4
а
6-5
II-I
17,3
21,2
24,8
27,8
28,5
27,9
31,0
ПП
Бонитет
Сумма площадей сечения в возрасте, лет
45
50
55
60
65
70
75
а
6-7
II-I
19,5
20,7
23,3
23,2
24,6
26,7
29,7
6-8
II-I
16,4
18,8
21,2
20,9
22,1
23,9
25,0
а
6-9
II-I
14,0
16,7
20,5
21,9
23,7
26,0
28,8
Из табII
26,5
28,0
28,8
29,7
30,8
32,0
32,8
лиц хода
роста
Из серии 5 самая высокая площадь сечения на пробной площади с комплексным уходом. Разница между контроле и двухкратной рубкой по низовому методу в
начале составляла 9,1 м2/га, к концу опыта она сократилась до 5,1 м2/га. До конца она
так и не восстановилась, так как первый прием был интенсивностью 41%, а второй
15%. Было бы достаточно одного приема, но с большей степенью интенсивности.
За 30 лет наблюдений самый значительный прирост по площади сечения
оказался на пробе 5-3 с комплексным уходом (табл. 3). Также повышенный
прирост наблюдался и на пробных площадях, подвергнутых разреживанию. На
пробных площадях с низовым уходом прирост больше, чем на пробных площадях с верховым уходом. Самые маленькие приросты в контроле, незначительный прирост и в контроле с удобрением (6-4).
40
Таблица 3
ПП
43
48
2,4
3,4
4,5
36
41
3,0
1,6
5-1
5-2
5-3
ПП
6-2
6-3
ПП
40
6-4
6-5
6-7
6-8
6-9
45
2,1
3,9
Прирост площадей сечения по годам
Годы наблюдений
53
58
63
68
74
За весь период
2,4
-1,3
0,8
1,1
2,4
7,8
0,7
2,5
2,0
1,9
1,3
11,8
0,9
2,9
2,2
3,3
4,0
17,8
Годы наблюдений
46
51
56
61
66
За весь период
1,7
2,3
1,7
2,6
3,7
15,0
0,3
-1,4
0,2
1,1
0,5
2,3
Годы наблюдений
50 55
60
65
70
75
За весь период
2,1 -1,0 -0,2
0,6
1,6
5,2
3,6 3,0 0,7
-0,6
3,1
13,7
1,2 2,6 -0,1
1,4
2,1
3,0
10,2
2,4 2,4 -0,3
1,2
1,8
1,1
9,2
2,7 3,8 1,4
1,8
2,3
2,8
14,8
Следует отметить, что в возрасте 55-60 лет прирост на контрольных площадях (5-1, 6-3,6-4) и на пробной площади с верховым уходом становится отрицательным. А на секциях с низовым уходом только понижается.
Несмотря на то, что на пробных площадях с низовым уходом полнота была
снижена до 0,5 (табл. 4) к 75 годам она восстановилась до 0,9, также как и на пробной
площади с комплексным уходом. А на пробной площади с двух кратным до 0,7. На
контроле и контроле с удобрением полнота снизилась от 1,0 в начале опыта до 0,9 в
конце опыта. На пробной площади 5-1 (контроль) полнота не изменилась и осталась
прежней.
Таблица 4
Изменение полноты на пробных площадях
ПП
5-1
5-2
5-3
6-3
6-4
6-5
6-7
6-8
6-9
Полнота в на0,8
0,5
0,5
1,0
1,0
0,6
0,7
0,6
0,5
чале опыта
Полнота в
0,8
0,7
0,9
0,9
0,9
0,9
0,9
0,8
0,9
конце опыта
Тенденция увеличить интенсивность рубки при хорошем отборе деревьев
и, тем самым упростить программу и улучшить результат наблюдается в некоторых странах Европы. Чтобы интенсивность не была чрезмерной устанавливают предельные нормы по сумме площадей сечения. Выявляют такой минимум, который не приводил бы к снижению производительности деревьев. С
помощью пробных площадей составлены такие нормы по сосне. В табл. 5 нормы по сосне сравниваются с финскими. Как видно из таблицы, в молодых дре-
41
востоях в период усиленного роста наши предельных нормы меньше финских, а
позднее наши нормы больше.
Таблица 5
Предельные нормы разреживания сосняков
Источник
Пороговая площадь сечения, м2/га, при верхней высоте, м
информации
14
16
18
20
22
24
26
Финляндия
21
22
23
24
25
25
Средняя для
данных ПП
-
19
20
21
24
26
29
Для того чтобы установить, какому закону подчиняется изменение площадей сечения с возрастом проверялись три основных зависимости: экспоненциальная, логарифмическая и полиноминальная.
На всех пробных площадях, кроме ПП 6-7 (верховой уход), изменение
площадей сечения хорошо передается уравнением логарифмической кривой
общего вида y= aln(x)–b со степенью корреляции в пределах R=0,98-0,99.
На пробной площади 6-7 изменение площади сечения с большей степенью
корреляции R=0,96 отражает экспоненциальный закон с общим видом уравнения y=aebx. Необходимо отметить, что в данных условиях метод ухода повлиял
на возрастное изменение площадей сечения.
По результатам исследования можно сделать следующие выводы:
1. Даже после интенсивного ухода площадь сечения восстанавливается и
приросты по площадям сечения остаются высокими. Несмотря на то, что, на
пробных площадях с низовым уходом полнота была снижена до 0,5 (табл. 4) к
75 годам она восстановилась до 0,9, также как и на пробной площади с комплексным уходом.
2. В чистых сосновых насаждениях необходимо проводить рубки ухода
по низовому методу, так как они соответствуют процессам естественного роста
и развития насаждения.
Библиографический список
1. Миеликяйнен, К. Долгосрочное значение рубок ухода для лесного хозяйства Финляндии [Текст] / К. Миеликяйнен //Российско-Финский семинар по
рубкам ухода. Университет Йонсу. Факультет лесных наук. Известия №7. 1993.
– С. 45-51.
2. Моисеев, В. С. Таксация молодняков [Текст] : учеб. пособие / В. С.
Моисеев. – Л. : ЛТА, 1971. – 343 с.
3. Сенов, С. Н. Итоги 60-ти летних наблюдений за естественной динамикой леса [Текст] / С. Н. Сенов. – СПб. : СПб НИИЛХ, 1999. – 98 с.
42
УДК 630*525+630*176.321.3
ОЦЕНКА ТОВАРНОЙ СТРУКТУРЫ БЕРЕЗНЯКА НА
ЛЕСОСЕКЕ ПО СТУПЕНЯМ ТОЛЩИНЫ
Н.С. Иванова
Марийский государственный технический университет
На основе результатов сплошного перечёта деревьев на таксационном выделе и будущих лесосеках березняка в учебно-опытном лесхозе Республики Марий Эл выявлены статистические закономерности распределения деревьев берёзы по ступеням толщины и группам
товарности деловых и дровяных деревьев.
В лесах страны большие территории занимают мягколиственные насаждения. При этом расширяются площади чистых березняков. Рациональное пользование берёзовыми лесами стало достаточно актуальной задачей. В настоящее
время берёза, запасы которой значительны, является основным ресурсом фанерного сырья и наиболее широко используется в фанерной промышленности. В то
же время ощущается большой и постоянный дефицит в высококачественной берёзовой древесине, из которой получают фанерный кряж. Поэтому количественный и качественный состав ресурсов фанерного сырья играет значительную роль
в дальнейшем развитии этой важной отрасли народного хозяйства.
В представленной работе оценка товарной структуры берёзняка по результатам таксационных измерений структуры качества древостоя осуществляется последующим статистическим моделированием биотехническим законом [1–4]. При
этом основным условием является выявление закономерностей распределения деревьев на конкретной лесосеке и (или) таксационном выделе. Учёт распределения
деревьев на участке леса по ступеням толщины и группам товарности деревьев позволит совершенствовать существующие методики расчета показателей лесозаготовительных работ по объемам заготовляемой древесины, группам качества и видам сортиментов, производительности работы лесозаготовительных машин и др.
В связи с этим летом 2004 г. в Нолькинском лесничестве учебно – опытного лесхоза МарГТУ был проведён визуальный осмотр лесосеки, выделенной
на всем таксационном выделе березняка, а затем выполнен сплошной перечёт
деревьев в квартале № 55, на делянке № 1 площадью 2,3 га в мягколиственном
хозяйстве. Ликвидный запас равен 140 м3/га. Результаты сплошного перечёта
берёзовых деревьев приведены в табл. 1.
Полученные статистические данные о сплошном перечёте деревьев берёзы были обработаны с помощью ПЭВМ. Для статистического моделирования
использовалась математическая среда EUREKA (Eureka Solver). Были получены
закономерности распределения численности всех деревьев, а также групп деловых и дровяных деревьев.
©
Иванова Н.С., 2007
43
Таблица 1
Результаты сплошного перечёта деревьев берёзы на лесосеке, шт.
Число деревьев берёзы
d
деловых
дровяных
Всего
12
5
5
16
30
13
17
20
49
35
14
5
24
66
61
3
28
55
52
3
32
48
45
2
36
38
36
2
40
36
34
44
6
6
48
1
52
1
Итого
282
52
334
Группа товарности из деловых деревьев берёзы распределяется по ступеням толщины по статистической закономерности (табл. 2)
N = 16,0817 exp(−0,1828(d − 22,8645) 2 ) + 1,01130 ⋅ 10 −9 d10,6005 exp(−0,3803d ) −
− 0,00001551d 3,6292 × cos(πd / 2,7413 + 0,8602) .
(1)
Таблица 2
Распределение группы деловых деревьев берёзы на лесосеке, шт.
Число
Ступень
Расчетные значения (1)
Составляющие (1)
толщины деревьев
N1
N3
N2
)
Δ, %
N
ε
d , см
N , шт.
-0,31
-0,04
13,04
13
13,38
0,34
16
0,00
1,31
0,46
34,54
35
31,13
0,18
20
3,59
-0,43
-0,26
61,26
61
46,98
-1,58
24
12,70
-1,19
-0,62
52,62
52
0,10
28
0,13
52,59
4,78 3,81е-06
2,12
42,88
45
4,44
32
47,32
-5,64 3,22е-13
-2,03
38,03
36
-2,00
36
36,03
2,18 7,86е-23
0,74
33,26
34
40
24,04
-9,22
15,83 5,53е-35
-0,95
6,95
6
44
14,43
7,48
Примечание. Приняты следующие условные обозначения: N̂ - фактические значения
числа деревьев, шт.; N - расчетные значения числа деревьев, шт.; ε - остаток, то есть абсолютная погрешность, равная ε = Nˆ − N ; Δ - относительная погрешность, вычисляемая из
соотношения Δ = 100ε / N̂ . Максимальное значение относительной погрешности Δ max подчёркнуто. Доверие к уравнениям оценивается разницей D = 100 − Δ max .
Конструкция модели (1) содержит три составляющие.
Первая составляющая всегда является естественной закономерностью.
44
Причём первая составляющая уравнения (1) является законом нормального
распределения относительно некоего среднего диаметра ствола 22,9 см.
Вторая составляющая характеризуется биотехническим законом [1 - 2]. Из
табл. 2 и рис.1 видно, что она сначала возрастает, достигая максимума при ступени толщины 28 см, а затем постепенно убывает.
Третья составляющая показывает колебательное возмущение древостоя
как биологической популяции на антропогенное или иное воздействие (на проведенные рубки, загрязнение, пожары и другие катастрофы). Отрицательный
знак перед ней показывает кризисное (негативное) волновое возмущение. При
этом перед функцией косинуса находится амплитуда колебания, изменяющаяся
по закону аллометрического роста.
N, шт.
65
60
55
50
45
40
35
30
25
20
15
10
5
0
-5
-10
Nф
N
N1
N2
N3
d, см
16
20
24
28
32
36
40
44
Рис. 1 Графики распределения группы деловых деревьев берёзы
Для характеристики точности модели исключаем последнюю ступень
толщины из-за того, что она не характерна для всей популяции деревьев. Без
ступени 44 см максимальная относительная погрешность равна 5,64%. Поэтому
доверие к формуле (1) будет не ниже 100 – 5,64 = 94,36%. Данная формула (1)
может считаться математической моделью, если учесть ограничения изменения
влияющей переменной от 16 до 44 см.
Количество дровяных деревьев берёзы на лесосеке изменяется по статистической формуле (табл. 3)
N = 15,9675 exp(−0,0521(d − 17,3482) 2 ) + 0,0006867d 3,8473 exp(−0,1569d) +
+ 3,0587 ⋅ 10 −11 d 7,5975 exp(−0,1134d ) × cos( πd / 1,2140 − 1,3407) .
(2)
45
Таблица 3
Распределение группы дровяных деревьев берёзы на лесосеке, шт.
Ступень Число
Расчетные значения (2)
Составляющие (2)
толщи- деревьΔ, %
N3
ев
ны
N1
N2
N
ε
)
d , см
N , шт
-1,80
-0,09
5
1,48
5,09
-0,00
3,61
12
0,41
0,07
17
2,39
16,93
-0,00
16
14,54
-0,64
-0,09
14
3,02
14,09
0,02
20
11,05
4,00
0,20
4,80
-0,03
24
1,58
5
3,25
-4,33
-0,13
3,13
-0,05
28
0,04
3
3,14
-0,67
-0,02
3,02
0,22
32
0,00
3
2,80
-4,50
-0,09
2,09
-0,26
36
2,12е-07
2
2,35
7,50
0,15
1,85
-0,03
40
3,86е-11
2
1,88
-0,05
1,05
52
1,06е-26
1
0,79
5,00
0,26
N, шт.
18
16
14
12
Nф
10
N
8
N1
6
N2
N3
4
2
0
d, см
-2
12
16
20
24
28
32
36
40
44
48
52
Рис. 2 Графики распределения дровяных деревьев берёзы
Эта формула (2) имеет высокую точность, наибольшее отклонение расчётного значения числа деревьев приходится на ступень толщины 40 см. Таким
образом, доверие к статистической модели (2) составляет не менее 92,50%.
Первая естественная составляющая формулы (2) также изменяется по закону
нормального распределения Гаусса-Лапласа. При этом из данных табл. 3 и графиков на рис.2 видно, что первая составляющая сначала резко возрастает и достигает
максимального значения при ступени толщины около 16 см, после чего она убывает. Причём эта составляющая сводится к нулю на ступени толщины 32 см.
46
Вторая составляющая описывается биотехническим законом. Максимум
этой составляющей приходится на ступень толщины 24 см.
Отличие структуры статистических моделей (1) и (2) заключается в
третьей составляющей. Третья составляющая формулы (2) также изменяется по
закону волнового возмущения. Но она имеет положительное возмущение, а амплитуда колебания характеризуется биотехническим законом.
Распределение всех деревьев берёзы на лесосеке характеризуется следующей статистической моделью (табл. 4):
N = 42,0011exp(−0,9683(d − 22,4951) 2 ) + 2,2256 ⋅ 10 −7 d 8,6795 exp(−0,3400d) −
− 3,1479 ⋅ 10 −7 d 4,7808 × cos( πd / 1,1240 − 2,3429) .
(3)
Таблица 4
Распределение всех деревьев берёзы на лесосеке, шт.
Ступень
толщины
d , см
12
16
20
24
28
32
36
40
44
52
Число
деревьев
)
N , шт
5
30
49
66
55
48
38
36
6
1
Расчетные значения (3)
N
8,71
27,30
49,21
65,79
57,10
45,37
40,12
34,79
6,01
0,96
ε
-3,71
2,70
-0,21
0,21
-2,10
2,63
-2,12
1,21
-0,01
0,04
Составляющие (3)
Δ, %
N1
N2
N3
74,20
9,00
-0,43
0,32
-3,82
5,48
-5,58
3,36
-0,17
4,00
2,01е-45
7,63е-17
0,10
4,69
7,58e-12
4,28e-37
8,44е-76
5,82е-128
1,40е-193
0,00
8,75
27,29
48,59
60,69
59,37
48,56
34,64
22,19
13,02
3,66
0,04
-0,01
-0,52
-0,41
2,27
3,19
-5,48
-12,60
7,01
2,70
Для характеристики точности модели исключаем первую ступень толщины.
Без ступени 12 см максимальная относительная погрешность равна 9,00%. Поэтому
доверие к формуле (3) будет не ниже 100 – 9,00 = 91,00%.
Конструкция модели (3) подобна модели (1) и содержит три составляющие.
Первая составляющая модели (3) по-прежнему описывается законом
нормального распределения относительно некоего среднего диаметра ствола
22,5 см. При этом первая естественная составляющая практически отсутствует,
а её максимум приходится на ступень толщины 24 см, как и при распределении
деловых деревьев берёзы.
Вторая составляющая изменяется по биотехническому закону. Причем
следует отметить, что максимальное значение вторая составляющая (табл.4,
рис.3) достигает также при ступени толщины 24 см.
Третья волновая составляющая в формуле (3) показывает всю амплитудно-частотную характеристику структурного возмущения березняка (рис. 3). Заметим, что колебательное возмущение всего древостоя носит кризисный (негативный) волновой характер.
47
N, шт.
70
60
50
40
Nф
30
N
N1
20
N2
10
N3
0
-10
-20
12
16
20
24
28
32
36
40
44
48
52
d, см
Рис. 3 Графики распределения всех деревьев берёзы
Таким образом, все полученные закономерности распределения деревьев
берёзы по ступеням толщины и группам товарности деревьев имеют достаточно высокую точность. При этом модель (1) может быть применена для оценки
объемного выхода сортиментов, в том числе и фанерного кряжа.
Библиографический список
1. Мазуркин, П. М. О статистической теории лесозаготовки [Текст] / П.
М. Мазуркин, А. Н. Фадеев // Лесной журнал. 1999. № 5. – С. 41-46.
2. Мазуркин, П. М. Динамика рубок леса [Текст] / П. М. Мазуркин, Э. Н.
Бедертдинов, А. Н. Фадеев. – Йошкар-Ола: МарГТУ, 2002. – 218с.
3. Мазуркин, П. М. Закономерности распределения деревьев и измерение
влияния рубок ухода за лесом [Текст] / П. М. Мазуркин, С. Е. Анисимов // Лесной вестник МГУЛ. 2003. Вып. 3. – С.101–108.
4. Мазуркин, П. М. Оценка и прогноз качества лесной территории [Текст] /
П. М. Мазуркин, Э. Н. Бедертдинов, П. А. Перов // Лесной журнал. 2003. №4. – С.
33-41.
48
УДК 630*182
О СОХРАНЕНИИ БИОРАЗНООБРАЗИЯ ЛЕСНЫХ
ЭКОСИСТЕМ И УСТОЙЧИВОМ ИХ РАЗВИТИИ
Л.Т. Свиридов
Воронежская государственная лесотехническая академия
Представлен материал о сохранении биоразнообразии лесных экосистем и устойчивом их развитии. Приведены конкретные данные о биоразнообразии, основные аспекты
управления и критерии устойчивого развития лесных экосистем.
Биоразнообразие - основа жизни. Без него на Земле не появился бы человек. Наше благополучие и само существование зависит от того, как мы будем
сохранять его. Биоразнообразие - понятие сложное и не всем доступное, а для
ученых область исследований, которую оно охватывает, является не достаточно известной. Концепция о биоразнообразии, принятая в Рио-де-Жанейро
(Бразилия) в 1992 г., определяет его как изменчивость живых организмов в результате воздействия самых различных источников, включая сухопутные, морские и другие водные экосистемы и экологические комплексы, частью которых
они являются, а также разнообразие внутри видов и систем.
Биоразнообразие означает одновременно и понятие, и физическую реальность. Как понятие – это способность живых организмов эволюционировать в
пространстве и времени, адаптироваться и выживать. Как физическая реальность оно охватывает все живые организмы и их взаимодействие. Биоразнообразие - это не застывшее понятие, а постоянно развивающаяся система, позволяющая живым организмам приспосабливаться к бесконечно меняющимся условиям окружающей среды, и обеспечивающая, тем самым, непрерывность
эволюционных процессов. В концепции биоразнообразия могут быть выделены
три составляющие: генетическая, видовая (виды - группа организмов, которые
способны к естественному межпородному скрещиванию, обусловленному генетическим и физическим сходством) и экосистемы (динамический природный
комплекс, включающий растения, животных и микроорганизмы, а также неживую среду их обитания, взаимодействующую как функциональная единица).
Генетическое разнообразие прежде всего способствует обеспечению населения Земли продуктами питания, а также созданию банка генов для биотехнологических экспериментов в сельском, лесном хозяйстве и промышленности.
Генетическое разнообразие позволяет различным видам живых организмов приспосабливаться к меняющимся условиям окружающей среды, в том числе к новым болезням, вредителям сельского и лесного хозяйства и климатическим изменениям. Оно дает возможность заниматься селекцией и улучшением свойств
растений и животного мира, например, при выведении новых пород скота.
©
Свиридов Л.Т., 2007
49
Генетические ресурсы растений предоставляют сырье для выведения новых
сортов сельскохозяйственных культур, или создания быстрорастущих пород
деревьев, которые могут являться основой более эффективных и гибких систем производства, способных бороться с засухами и эрозией почв, а также увеличивать биоресурсы лесных насаждений. На основе генной инженерии создаются новые биотехнологии, то есть любые технологии использования биосистем, живых организмов и их производных для получения или видоизменения сельскохозяйственных и промышленных продуктов или процессов. Считают, что использование генетического разнообразия в генной инженерии - самый надежный путь обеспечения продовольствием сегодняшнего и будущих
поколений планеты.
Говоря о видовом разнообразии, следует отметить, что специалистами по
изучению, определению и классификации живых форм составлен перечень известного числа видов, который включает 1,7 млн живых организмов: растений,
животных и микроорганизмов (грибов, вирусов, бактерий и т.д.) Но предполагаемое (пока не изученное) число видов в природе оценивается в 8... 15 млн, а
по отдельным данным - в 100 млн.
Известно, что за прошедшие 500 млн лет (до появления человека) Земля
пережила шесть катаклизмов, повлекших за собой массовое уничтожение биоразнообразия планеты. Последний из них, случившийся 65 млн лет назад, из-за
падения гигантского метеорита на полуостров Юкатан (Мексика) привел к гибели и концу эпохи динозавров. И каждый раз в результате подобных катастроф растительный и животный мир планеты лишался от 30 до 90 % видов. Затем в процессе эволюции видовое разнообразие восстанавливалось, но для этого требовались миллионы лет.
Сейчас по оценкам специалистов скорость сокращения биоразнообразия в
100–1000 раз выше, чем 500 млн лет назад. Раньше отдельные виды и их производные существовали в среднем около 1 млн лет, а затем естественным путем
исчезали и с той же частотой появлялись новые виды. В результате чрезмерной
эксплуатации природы человеком процесс исчезновения старых видов ускорился, а появление новых - замедлился. Мы находимся на пороге величайшего
кризиса нашей планеты - седьмой глобальной биокатастрофы, причиной которой являются не только природные явления, но и деятельность человека.
Именно деятельность человека, который продолжает пользоваться природными ресурсами в прежнем объеме, приводит к уничтожению различных
видов. В настоящее время происходит чрезмерная эксплуатация сохранившихся
растительных видов, истребление «вредных» видов, загрязнение окружающей
среды, расчленение, разрушение и уничтожение естественной среды обитания,
значительного сокращения лесных площадей и т.д. На нашей планете есть такие места, где в естественных природных условиях на 1 км2 соседствуют более 1000 видов животных и растений.
Отслеживая сокращения лесных площадей можно приблизительно оценить интенсивность вымирания отдельных видов. Так, экспертами установлено,
что в начале цивилизации 75–77% суши было покрыто лесом (примерно
14 млн км2), то к концу 1970-х гг. она сократилась почти в 2,5 раза и составляла
50
2
30–32% или около 5,4 млн км , т.е. каждые предыдущие 100 лет она уменьшалась примерно на 2%. Сейчас площадь лесов мира составляет 27 % суши
(4,2 млн км2). В последние 20–25 лет интенсивность вырубки лесов возросла, и
в наши дни за 5–10 лет вырубается около 1 млн км2. Леса являются не только
«зелеными легкими» планеты, но и средой обитания для 10 млн видов животных и растений. Расчеты показывают, что порядка 27 тыс. биологических видов ежегодно обречены на вымирание. Это значит, что в мире каждый день
исчезают 74 вида, или по три вида в час. Уместно напомнить слова философа,
врача и богослова Маймонида (XII век): Не следует думать, что все живое на
Земле создано лишь для блага человека. Совсем наоборот: все существа созданы для блага друг друга. Французский писатель Франсуа Рене де Шатобриан в
XVIII веке сказал, что человек пришел в леса, но оставил после себя пустыню.
И, наконец, необходимо отметить еще важное обстоятельство, что основная ценность биоразнообразия не экономического и эстетического (хотя они
значимы), а экологического характера. В этом отношении экосистемы ценны
как числом видов обитания, взаимоотношениями между многочисленными видами и связями между ними, физико-химическими составляющими окружающей среды, так и выполнением функций, имеющих огромное и первостепенное
значение для выживания человека и рода человеческого на нашей планете. Они
связывают углерод в атмосфере и производят кислород, защищают почву от
водной и ветровой эрозии и поддерживают ее плодородие. Первые две функции: поглощение углекислого газа и выделение кислорода – тесно связаны между собой, так как в их основе лежит реакция фотосинтеза, в результате которой зеленые растения, включая фитопланктон морей и океанов, обеспечивают
их. В настоящее время в атмосфере ежегодно накапливается более 3 млрд тонн
углерода, и природные экосистемы уже не в состоянии поглотить эти выбросы. Из-за обезлесения в воздух попадает такое количество СО2 и других вредных газов, например, метана, что оно считается одной из главных причин глобального потепления на Земле.
Накопление пресной воды, защита почв и обеспечение их плодородия три тесно связанных между собой функции лесных экосистем. Они поглошают
дождевую и сточную воду и медленно пропускают ее через почвенные слои,
которая попадает отфильтрованной в ручьи, реки, озера и подземные водоносные пласты, обеспечивая нас драгоценной живительной влагой. Вырождение
растительного покрова почвы ведет к нарушению круговорота воды в природе:
дожди и сточные воды вымывают большое количество питательных веществ, а
незащищенные лесной растительностью горные склоны приводят к селевым
потокам, которые заиливают озера, реки и прибрежные зоны. Лесные экосистемы можно назвать «фабриками» пресной воды.
Следует признать, что несмотря на многолетние исследования ученые
всего мира не накопили достаточных знаний о функционировании экосистем и
не могут пока предсказать, как они будут реагировать на определенные изменения в условиях окружающей среды и особенно климата. Мы мало или почти
ничего не знаем и о том, является ли какой-либо вид, присутствующий в данной
экосистеме, лишним или заменимым, даже если он и относится к редким. Также
51
нам неизвестно, какие виды имеют определяющее значение для поддержания
жизнедеятельности. Среди немногочисленных исключений сосновые леса, или
дубравы, без сомнения, являются преобладающими.
Еще меньше мы знаем о той роли, которую играет биоразнообразие в сохранении лесных экосистем и в обеспечении их функций. Например, смешанный лес, который осуществляет жизненно важную функцию для сдерживания
глобального потепления, поглощает углекислый газ. Пусть после расчистки или
определенной санитарной рубки там остался только один вид деревьев, который по-прежнему поглощает СО2. Возможно, эта функция будет осуществляться даже лучше, поскольку молодые, быстро растущие деревья способны поглощать больше углекислого газа, чем старые, процесс регенерации у которых
замедлен. Но возникает вопрос: что произойдет в дальнейшей перспективе?
Несомненно, что спустя несколько десятилетий последствия утраты биоразнообразия обязательно дадут о себе знать.
Замена нескольких видов одним, конечно, приведет к истощению почвы
и замедлению роста деревьев, а следовательно, к уменьшению способности
леса поглощать СО2. Экосистемы, имеющие большее разнообразие видов являются более продуктивными. Ученые полагают, что биоразнообразие помогает экосистемам противостоять несвойственным им видам и болезням, а также
быстро восстанавливать утраченный потенциал. Для получения новых данных надо стремиться сохранить как можно больше разнообразных экосистем,
и особенно лесных, которые являются хранителями природы и окружающей
среды, а также местообитанием различной растительности, животного мира и
многих видов микроорганизмов. Полное уничтожение среды обитания приведет к исчезновению почти всех видов, для которых эта среда была родным домом. Произойдет вымирание не только известных видов растительного покрова
и животного мира, но малоизвестных беспозвоночных, грибов и других.
Снижение лесистости нашей планеты до 27 % уже недопустимо. Ученые
предполагают, что минимально допустимой лесистостью является величина,
равная 20 %, после которой начнут происходить необратимые биосферные
процессы, угрожающие жизни человека и всего человечества на Земле. Это
серьезное предупреждение для всех живущих на нашей планете. Каждый должен понимать глубину ответственности за действия, наносящие ущерб окружающей среде и биоразнообразию.
В настоящее время в России, также как и во всем мире, происходит резкое сокращение площади лесов из-за интенсивных рубок и лесных пожаров.
Как правило, искусственного лесовосстановления у нас не проводят, а естественное восстановление происходит за счет зарастания малоценными мягколиственными породами (осина, береза, ольха и др.), которые не способствуют сохранению биоразнообразия лесных экосистем. Здесь уместно напомнить слова
великого русского писателя Антона Павловича Чехова, который еще в конце
XIX века сказал, что русские леса трещат под топором, гибнут миллиарды деревьев, опустошаются жилища зверей и птиц, мелеют и сохнут реки, исчезают
безвозвратно чудные пейзажи, климат испорчен, и с каждым днем земля становится все беднее и безобразнее [1].
При существующих темпах истребления лесов уже к 2025-2030 гг. ис-
52
чезнет одна четвертая часть оставшихся лесных массивов.
Принцип устойчивого развития биоразнообразия и управления биоразнообразием лесных экосистем возник из необходимости рационального взаимодействия людей и природы. Основной составной частью концепции устойчивого
развития лесных экосистем является устойчивое управление лесами. Лесные ресурсы и связанные с ними земли должны управляться так, чтобы удовлетворять
социальные, экономические, экологические, культурные и духовные потребности настоящих и будущих поколений.
Ведущими аспектами управления лесными экосистемами являются следующие экологические законы и правила, определяющие условия саморегулирования и устойчивости сообществ [2].
1. Закон максимизации энергии означает сохранение одной экосистемы в
соперничестве с другими, при наилучшей организации поступления в нее энергии и использования ее максимального количества наиболее эффективным способом.
2. Закон минимума (закон Ю. Либиха) как устойчивость лесной экосистемы определяется самым слабым звеном в цепи их экологических потребностей. В соответствии с этим законом жизненные возможности организма или
экосистемы лимитируются экологическими факторами, количество и качество
которых близки к необходимому минимуму.
3. Закон обеднения разнородного вещества (биоразнообразия) в островных его сгущениях (закон Ф. Хильми). Индивидуальная система, работающая в
среде с уровнем организации, более низким, чем уровень самой системы, обречена, так как, постепенно теряя свою структуру, система через некоторое время
растворяется в окружающей среде. Закон дает основу для разработки целенаправленной стратегии управления лесными экосистемами без их количественного и качественного обеднения.
4. Закон ограниченности природных ресурсов (Правило 1 %) означает,
что все крупномасштабные явления на поверхности Земли имеют энергию, не
превышающую 1 % энергии солнечного излучения. Он базируется на том,
что поскольку планета Земля представляет собой естественное ограниченное
целое, то на ней не могут существовать бесконечные части. Изменение энергетики природной системы выше 1% выводит природную систему из
равновесного состояния.
5. Закон пирамиды энергий (Правило 10 %) в соответствии с которым с
одного трофического уровня экологической пирамиды переходит на другой ее
уровень в среднем не более 10 % энергии. Закон пирамиды энергии позволяет делать эколого-экономические расчеты о необходимой земельной площади для обеспечения населения продовольствием. Он служит общим ограничением для практических целей в природопользовнии при хозяйственной
деятельности человека.
1. Правило обязательности заполнения экологических ниш. Пустующая
экологическая ниша всегда бывает естественно заполнена. Экологическая ниша как функциональное место вида в экосистеме позволяет форме, способной
выработать приспособительные особенности, заполнить эту нишу.
53
2. Правило «мягкого» управления лесными экосистемами заключается в
опосредованном, направляющем, восстанавливающем экологический баланс
управлении лесобиологическими процессами и вызовом желательных природных цепных реакций. Это правило базируется на восстановлении бывшей естественной продуктивности лесных экосистем или ее повышении.
Примером «мягкого» управления лесами может служить использование
двух форм ведения лесного хозяйства - сплошнолесосечное («жесткое» воздействие) и выборочная, постепенная рубка («мягкое» воздействие). Одна из задач
развития устойчивого управления лесами - содействие сохранению биологического разнообразия и предотвращению глобальной климатической катастрофы
путем использования пустующих земель лесного фонда для создания искусственных лесов, аккумулирующих эмиссии углекислого газа в атмосферу.
Для сохранения и устойчивого управления умеренными и бореальными
лесами в 1994 г. в Женеве разработаны 7 критериев:
1. Сохранение биологического разнообразия (экосистемного, видового
генетического). Целью сохранения биоразнообразия является выживание видов
и генетических вариаций (форм, разновидностей) внутри вида.
2. Поддержание продуктивной способности лесных экосистем.
3. Поддержание здоровых и жизнеспособных лесных экосистем.
4. Сохранение и поддержание почвенных и водных ресурсов.
5. Поддержание вклада леса в глобальный цикл углерода: Накопление
биомассы живой растительностью, отпадом, подстилкой и почвой (почвенный
углерод, С пул) есть важная функция леса в регулировании атмосферного углерода; скорость (темп) продуцирования биомассы является также мерой
здорвья и жизнеспособности леса.
6. Поддержание и увеличение долговременных многообразных социально-экономических полезностей (древесина, недревесная продукция, рекреация,
туризм).
7. Юридические, организационные и экономические основы для устойчивого управления лесами.
В заключение отметим, что лесистость в Воронежской области оценивается в 8–8,5%. Это очень мало. С учетом вышеназванных цифр нам надо довести лесистость хотя бы до 20%, то есть восстановить площади утраченных
лесов. И это одна из приоритетных и первоочередных задач по восстановлению окружающей природной среды, биоразнообразия и «легких» нашего города и области.
Библиографический список
1. Таранков, В. И. Мониторинг лесных экосистем [Текст]: учеб. пособие/В.И, Таранков; – Воронеж: ВГЛТА, 2006.– 300 с.
2. Уилсон, Эдвард О. На пороге глобальной катастрофы [Текст] / О. Уилсон //Журн. «ЮНЕСКО Курьер»: Биоразнообразие. Человек и природа.- май
2000.– С. 14-15.
54
УДК 631.417.2
ЗАПАСЫ ГУМУСА И ОРГАНИЧЕСКОГО УГЛЕРОДА В
ПОЧВАХ РАЗЛИЧНЫХ ТИПОВ ДУБОВЫХ НАСАЖДЕНИЙ
В.И. Таранков, Д.Г. Свиридов
Воронежская государственная лесотехническая академия
Рассмотрены литературные источники, согласно которым были установлены такие
показатели, как плотность почвы, процент содержания гумуса в почве и углерода в гумусе, а
в натуре для каждого типа почв была исследована мощность гумусового горизонта. В результате математических расчетов получены характеристики почв на обследованных пробных площадях и составлены выводы, согласно которым было установлено, как изменяются
различные показатели почв. По литературным данным отмечено влияние на почву лесной
растительности, атмосферных осадков, подстилки. Выявлены источники поступления органического вещества в почву. Показано, что между лесной растительностью и почвами существует круговорот веществ.
В основу изучения запасов гумуса и органического углерода в почвах положены методические разработки [1,2,3,5].
Почва и растение – это сложная во многом нестабильная система, в которой растение формируется за счет почвы и в то же время почва создается за
счет растений. Фиксация СО2 зелеными листьями растений – лишь начальный
этап накопления биомассы с последующим ее вкладом в формирование и
трансформацию биологических остатков в гумус. Таким образом, образование
гумуса и его компонентов связывается непрерывной метаболической цепью с
процессами фиксации СО2 листьями растений и синтетической деятельностью
корней. Если путь углерода при фотосинтезе начинается в растении и продолжается при трансформации биотических элементов в почве, то равным образом
и почвенный азот, поступая в растение, включается в состав органических соединений. Вне всякого сомнения фотосинтез и рост растений необходимо рассматривать в контексте с процессом почвенного питания растений. Запасы гумуса и углерода в почвах различных типов дубовых насаждений представлены
в таблице.
Экологические функции почв многообразны и неотделимы от функций
растительного покрова. Почва является универсальным преобразователем и накопителем органического вещества, двигателем и средой протекания биогеохимических циклов, дает мощный вклад в процессы биосинтеза, регулирует гидрологический режим суши, заметно влияет на состав атмосферы, служит защитным экраном всего живого.
©
Таранков В.И., Свиридов Д.Г., 2007
Таблица
Дсо
Д2
Запасы гумуса и углерода в почвах различных типов дубовых насаждений
Тин насаждений
Нагорные
Сосново-дубовые
Пойменные
дубравы
насаждения
дубравы
Дос Дос Сбт Сдтр Сдтр Смлн Сдтр
Дпвл
С2
С2
В2
В2
В2
В3
В2
Д3П
63
50
Показатели
60
55
35
45
40
46
42
35
38
40
75
72
78
80
1,18 1,07
1,17
1,05
0,84
0,85
0,8
0,88
1,39
1,32
1,33
1,37
0,99
0,95
1,01 1,03
4,0
3,8
3,5
3,1
3,0
2,8
3,3
9,5
8,7
8,9
9,3
7,5
8,0
7,3
297,4 197,9 266,8 202,1
91,1
114,8
89,6
130,7 554,3 401,9 449,8 509,6 556,9 547,2 575,1 585,0
35,0 31,0
33,0
30,5
26,0
24,0
23,0
28,0
50,0
104,1 61,3
88,0
61,6
23,7
27,6
20,6
36,6
277,2 180,8 206,9 244,6 221,6 229,8 218,5 214,7
55
Тип леса
Тип ЛРУ
Мощность
гумусового
горизонта
Плотность
почвы,
г/см3
Содержание
гумуса в
почве, %
Запасы гумуса, т/га
Содержание
углерода в
гумусе, %
Запасы углерода,
т/га
Байрачные
дубравы
Дбсв
Е2
3,7
45,0
46,0
48,0
39,8
42,0
7,1
38,0 36,7
56
Органическая часть почвы состоит из органических остатков (корешков, и
наземного опада) и гумуса. Источником гумуса являются органические остатки
высших растений, микроорганизмов и животных, обитающих в почве. В почвах под
лесом основным источником формирования гумуса является подстилка, количество
которой зависит от лесорастительных условий, состава, возраста и густоты насаждений, а также от развития травянистого и мохового покрова. Корни древесной растительности – многолетние, и участие их в образовании гумуса невелико. Первичным и основным источником органических веществ, из которых образуется гумус
являются остатки зеленых растений в виде наземного опада и корней.
Содержание гумуса в почвах, определяется условиями и характером почвообразовательного процесса, оно колеблется в верхних горизонтах от 1 - 2 до
12 – 15%, резко или постепенно уменьшаясь с глубиной.
Содержание перегноя 5 – 10% постепенно снижающееся с глубиной, а содержание органического углерода в гумусе изменяется от 30 до 50%. Запасы гумуса
и углерода в почвах различных типов дубовых насаждений приведено в таблице.
Лесорастительные свойства почв – их плодородие - в большой степени зависят от накопления органических веществ и превращения их в почве в гумус. При
разложении и минерализации органических веществ элементы питания постепенно
высвобождаются, и притом в формах непосредственно усваиваемых растениями.
С содержанием в почвах гумуса связано улучшение и многих других
свойств почв, способствующих лучшему обеспечению растений водой и питательными соединениями. Гумусу принадлежит ведущая роль в образовании
структуры почв: он существенно влияет на влагоемкость и тепловой режим, а
также на обменную способность, кислотность и другие свойства почв.
В сомкнутых насаждениях основным источником органического вещества
почвы является опад и отпад растительности. При поступлении органической
массы в почву в условиях невмешательства человека вся масса насаждений поступает в почву. В условиях эксплуатации лесов все большая часть насаждений
отчуждается. Когда в лесах бывают пожары, происходит переход сгоревшей органической массы в почву в виде больших количеств зольных элементов.
В процессе почвообразования очень важным моментом является на только общее количество опада и отпада, поступающее в почву, как источник ее органического вещества, но и элементарный состав этой массы. Большая часть
потребляемых зольных элементов насаждениями ежегодно возвращается в почву. Запасы гумуса и питательных элементов в верхних горизонтах, образуются
в результате поступления и разложения опада и отпада.
Лесная растительность является источником органического вещества почвы, а корневая система изменяет ее физические свойства. Атмосферные осадки
влияют на содержание гумуса в почве и свойства почв, они не только приносят
вещества в почву, но и вымывают, выносят их (например, углерод, кальций, магний, калий и др.). Повышенный вынос веществ происходит у верхних слоев почвы, куда поступает больше осадков. Влияние подстилки на почву многообразно
оно может быть непосредственным, т.е. прямым или косвенным через воздействие других факторов. К косвенным факторам можно отнести влияние подстилки
на растение, возобновление главных пород, микроклимат почвы; к прямым –
57
воздействие на почву растворов, прошедших через подстилку.
Лес оказывает сильное воздействие на почву из лиственных пород резче
всего изменяет почву дуб. Различные древесные породы по разному воздействуют на структуру почвы. В одинаковых почвенных условиях и при одновозрастных породах структура почвы лучше под дубом, хуже под под сосной.
Наименьшая мощность гумусового горизонта отмечается на супесчаных почвах
и суглинистых в условиях Д3П и В2 , мощность гумусового горизонта изменяется для
условий Д3П от 35 до 42 см это объясняется тем, что временно затапливаемая почва
вымывается. Но в этих же условиях они имеют наибольшую плотность так как весной
они длительное время находятся под водой, кроме того во влажных условиях наиболее
интенсивно протекают процессы образования перегноя, поэтому для пойменных почв
наибольший % содержания гумуса и наибольший % содержания углерода. В сосноводубовых насаждениях у супесчаных почв различной степени оподзоленности мала
мощность гумусового горизонта, которая изменяется в пределах 35-46 см. В условиях
В2, В3 супесчаные почвы имеют самую низкую плотность, которая изменяется от 0,8
до 0,88 г/см3 в этих же почвах невысоки запасы гумуса 2,8-3,3% от массы почвы, следовательно эти почвы будут иметь незначительный % содержания углерода в гумусе
23-28%. На суглинистых почвах в условиях Д2 мощность гумусового горизонта составила 63 см, а условиях С2 – 60 см. Плотность этих почв значительно не отличается, но
имеет существенные различия содержание гумуса в почве и содержание углерода в
гумусе равно соответственно 4%, 35% и 3,8%, 33%. В супесчаных почвах в условиях
В2 и С2 мощность гумусового горизонта изменяется в соответствии с плодородием
почв. В условиях С2 % гумуса и % углерода и соответветствующие их запасы больше
по сравнению с почвами в условиях В2, а в почвах в условиях Д2 запасы гумуса и углерода больше по сравнению с почвами в условиях С2. Наибольшая мощность гумусового горизонта была замечена на черноземных почвах, однако плотность почвы изменяется от 0,95 до 1,03 г/см3 и по запасам гумуса и углерода черноземные почвы уступают
лишь почвам временно затапливаемым, а в некоторых случаях по ряду показателей
превосходят их. Суглинистые почвы гумусового горизонта в условиях Д2 и С2 имеют
наибольшую массу, исключением являются черноземные почвы, для них также это
значение достаточно высокая величина, это можно объяснить большой мощностью
гумусового горизонта, который изменяется для них от 72 см до 80 см.
Библиографический список
1. Зонн, С. В. Влияние леса на почвы [Текст] / С. В Зонн. – М.: Изд-во АН
СССР, 1954. – 160 с.
2 Зонн, С. В. Современные проблемы генезиса и географии почв [Текст] /
С. В. Зонн. – М.: Наука, 1983. – 168 с.
3. Кауричев, И. С. Почвоведение [Текст] : учеб. пособие / И. С. Кауричев.
– М.: Колос, 1982. – 496 с.
4. Почвоведение с основами геологии [Текст] : учеб. пособие / под. ред.
А. И. Горбылева. – М.: Новое знание, 2002. – 480 с.
5. Роде, А. А. Почвоведение [Текст] : учеб. пособие / А. А. Роде, В. Н.
Смирнов. – М.: Изд-во Высшая школа, 1972. – 480 с.
58
УДК 630*181.65
СРАВНЕНИЕ ЛЕСНЫХ И ГОРОДСКИХ ДРЕВОСТОЕВ ПО
РАДИАЛЬНОМУ ПРИРОСТУ ЗАБОЛОНИ ДЕРЕВЬЕВ
И.С. Уржумцева, П.М. Мазуркин
Марийский государственный технический университет
Проведен сравнительный анализ состояния лесных и городских древостоев на основе
статистического моделирования по биотехническому закону. Получены закономерности радиального прироста древостоев различного породного состава, а также показаны графики
изменения радиального прироста заболони деревьев в зависимости от условий среды произрастания.
Развитие и внедрение в огромных масштабах современных технологий
природопользования и городской жизни оказывает существенное влияние на
состояние и устойчивость древостоев, находящихся в защитной зоне города или
другого поселения. Эти древостои даже по внешнему виду отличаются от лесов, находящихся вне пригородной зоны.
Объективным показателем состояния лесных и городских древостоев является радиальный прирост, который позволяет с достаточно высокой точностью выразить количественный показатель влияния факторов внешней среды
на состояние деревьев.
Сравнительная оценка состояния лесных и городских лесов проводилась
по данным исследования [1] следующих основных пород: сосна обыкновенная,
лиственница, береза, липа. В результате обработки этих данных были получены
статистические модели [2-5].
Сосна обыкновенная. Модель радиального прироста сосны, растущей в
пригороде, в зависимости от возраста, имеет вид (табл. 1 и табл. 2, рис. 1):
b = 6,27172 exp( −0,28404i 0,79365 ) − a1 cos(πi / p1 + 3,8715) − a 2 cos(πi / 2,27769 + 4,1157 ) , (1)
a1 = 0,0013223i 8,92889 exp(− 1,54024i ) ;
p1 = 1,3184 + 0,0069340i 2,52584 ;
a 2 = 0,00029208i 3,76624 exp(− 0,24358i ) ,
где b - ширина годичного слоя, мм;
i - номер пятилетки по заболони (20 лет) и возрасту деревьев;
a1 , a 2 - половина амплитуды колебательного возмущения радиального
прироста, как адаптационный отклик на влияние внешней среды и антропогенных воздействий, мм;
p1 - половина периода колебательного возмущения, пятилетка.
©
Уржумцева И.С., Мазуркин П.М., 2007
59
Таблица 1
Радиальный прирост сосны обыкновенной в условиях города, мм
Факт
Расчетные значения
Номер пятилеs
Возраст, лет
тия
ε
b , мм.
b
1
4,72
4,72051
0,0005
2
3,86
3,84885
0,0110
20
3
3,28
3,30319
0,0230
4
2,16
2,13650
0,0230
1
1,28
1,31427
0,0340
2
1,23
1,19352
0,0360
40
3
1,11
1,12324
0,0130
4
1,02
1,04971
0,0290
1
1,02
0,94112
0,0780
2
0,64
0,75554
0,1100
60
3
0,80
0,68786
0,1100
4
0,78
0,83788
0,0570
1
0,94
0,90816
0,0310
2
0,70
0,65740
0,0420
80
3
0,42
0,35943
0,0600
4
0,27
0,38321
0,1100
1
0,67
0,57748
0,0920
2
0,42
0,52817
0,1000
100
3
0,23
0,24592
0,0150
4
0,12
0,12306
0,0030
Δ,%
0,01
0,28
0,70
1,06
2,66
2,93
1,17
2,84
7,65
17,19
13,75
7,31
3,30
6,00
14,29
40,74
13,73
23,81
6,52
2,50
Таблица 2
Составляющие модели (1) для определения радиального прироста сосны в городе
Составляющие параметры
Возраст, лет Номер пятилетия
b1
a1
p1
b2
a2
b3
1
2,26412 1,04171 1,72248 0,94924 0,03708 0,00061
2
1,07239 0,22963 3,64551 0,22894 0,14925 0,08791
20
3
0,54851 0,00388 7,79869 -0,00342 0,20333 0,19251
4
0,29361 0,00002 14,7204 -6,45е-6 0,17775 0,17056
1
0,16224 7,593е-8 24,8662 5,57е-8 0,12186 0,07587
2
0,09184 1,74е-10 38,6389 1,74е-10 0,07164 0,00421
3
0,05301 3,13е-13 56,4049 2,80е-13 0,03788 -0,01994
4
0,03109 4,66е-16 78,5018 3,21е-16 0,01853 -0,01704
1
0,01848 6,04е-19 105,245 2,91е-19 0,00854 -0,00835
2
0,01111 7,06е-22 136,932 2,11е-22 0,00376 -0,00255
60
3
0,00676 7,41е-25 173,844 1,13е-25 0,00159 -0,00021
4
0,00415 7,29е-28 216,251 2,24е-29 0,00065 0,00029
1
0,00257 6,74е-31 264,409 -4,62е-32 0,00026 0,00023
2
0,00159 5,91е-34 318,566 -8,96е-35 0,00010 0,00010
80
3
0,00100 4,95е-37 378,961 -1,07е-37 0,00004 0,00003
4
0,00063 3,98е-40 445,824 -1,09е-40 0,00001 3,08е-6
1
0,00040 3,09е-43 519,378 -9,93е-44 5,50е-6 -2,16е-6
2
0,00026 2,33е-46 599,841 -8,42е-47 2,01е-6 -1,72е-6
100
3
0,00017 1,71е-49 687,422 -6,76е-50 7,32е-7 -7,31е-7
4
0,00011 1,22е-52 782,328 -5,20е-53 2,63е-7 2,05е-7
60
r
В табл. 1 и 2 приведены следующие условные обозначения: b - фактические значения радиального прироста, мм; ε - абсолютная погрешность, то есть
разница между фактическими и расчетными значениямиr изучаемого показателя, мм; Δ - относительная погрешность, то есть Δ = 100ε / b .
Максимальная относительная погрешность составляет 40,74 % из-за того,
что возраст исчисляется двадцатилетиями, а годичные слои – пятилетиями.
Модель радиального прироста сосны, растущей в лесу, в зависимости от
возраста, имеет вид (табл. 3, 4, рис. 1):
b = 4,64813 exp( −0,10876i 0,85642 ) − a1 cos(πi / p1 + 0,02060) − a 2 cos(πi / 2,44155 + 5,84025) , (2)
a1 = 0,016197i 6,80846 exp(− 1,26053i ) ;
p1 = 1,3414 + 0,019723i 2,3322 ;
a 2 = 0,23927i 0,63418 exp(− 0,19169i ) ,
r
В табл. 3 и табл. 4 приведены следующие условные обозначения: b - фактические значения радиального прироста, мм; ε - абсолютная погрешность, то
есть разница между фактическими и расчетными значениямиr изучаемого показателя, мм; Δ - относительная погрешность, то есть Δ = 100ε / b .
Таблица 3
Радиальный прирост сосны в условиях лесного парка, мм.
Факт
Расчетные значения
s
Возраст, лет
Номер пятилетия
ε
b , мм.
Δ,%
b
1
4,04
4,04099
0,00098
0,02
2
4,02
3,99908
0,020
0,49
20
3
3,14
3,16594
0,025
0,79
4
2,18
2,14353
0,036
1,65
1
1,70
1,76101
0,061
3,59
2
1,71
1,64895
0,061
3,57
40
3
1,66
1,66843
0,008
0,48
4
1,60
1,69063
0,090
5,63
1
1,84
1,66096
0,170
9,24
2
1,56
1,69569
0,130
8,33
60
3
1,84
1,84225
0,002
0,11
4
2,00
1,94021
0,059
2,95
1
1,82
1,84280
0,022
1,21
2
1,60
1,62559
0,025
1,56
80
3
1,52
1,47062
0,049
3,22
4
1,47
1,43089
0,039
2,65
1
1,39
1,40614
0,016
1,15
2
1,25
1,31227
0,062
4,96
100
3
1,21
1,18311
0,026
2,15
4
1,04
1,09533
0,055
5,29
Максимальная погрешность составляет 9,24 %, а достоверность результатов - 90,76 %.
Формулу (2) можно представить в виде:
b = b1 − b2 − b3 ;
(2а)
b1 = 4,64813 exp( −0,10876i 0,85642 ) ;
61
b2 = a1 cos(πi / p1 + 0,02060 ) ;
b3 = a 2 cos(πi / 2,44155 + 5,84025) .
Таблица 4
Составляющие (2) для определения радиального прироста сосны в лесу
Составляющие параметры
Возраст, лет Номер пятилетия
b1
a1
p1
b2
a2
b3
1
3,01882 1,70269 2,18304 1,01399 0,25463 0,24381
2
2,12769 0,34953 5,57970 0,281976 0,15155 0,15003
20
3
1,53819 0,01012 12,2527 -0,00758 0,07516 0,07516
4
1,12937 0,00013 22,6846 -0,00012 0,03459 0,03416
1
0,83838 1,09е-6 37,2564 -5,82е-7 0,01528 0,01456
2
0,627679 6,97е-9
56,288 -8,63е-10 0,00658 0,00590
40
3
0,47318 3,65е-11 80,0602 6,41е-12 0,00278 0,00230
4
0,35876 1,66е-13 108,822 6,38е-14 0,00161 0,00084
1
0,27336 6,77е-16 142,799 3,60е-16 0,00048 0,00029
2
0,20919 2,54е-18 182,202 1,61е-18 0,00019 0,00009
60
3
0,16069 8,99е-21 227,223 6,32е-21 0,00008 0,00003
4
0,12386 2,95е-23 278,043 2,26е-23 0,00003 6,73е-6
1
0,09577 9,31е-26 334,833 7,52е-26 0,00001 7,64е-7
2
0,07426 2,82е-28 397,753 2,37е-28 5,27е-6 -4,84е-7
80
3
0,05773 8,27е-31 466,957 7,16е-31 2,11е-6 -5,06е-7
4
0,04499 2,35е-33 542,590 2,08е-33 8,43е-7 -3,23е-7
1
0,03514 6,51е-36 624,791 5,86е-36 3,36е-7 -1,7е-7
2
0,02749 1,76е-38 713,695 1,61е-38 1,34е-7 -8,54е-8
100
3
0,02156 4,65е-41 809,429 4,31е-41 5,30е-8 -3,96е-8
4
0,01694 1,21е-43 912,118 1,13е-43 2,10е-8 -1,76е-8
Для остальных пород деревьев обработка данных проводилась по аналогии, поэтому ниже будут приводиться только статистические модели.
Лиственница сибирская. Модель радиального прироста заболони лиственницы сибирской, произрастающей в условиях городской среды:
b = 3,30992 exp( −0,01784i 1,72776 ) + a1 cos(πi / p1 − 0,3311) + a 2 cos(πi / 2,04353 − 1,0217 ) , (3)
a1 = 0,000628i 5,01854 exp(− 0,47829i ) ;
p1 = 4,0982 + 0,017567i 1,83570 ;
a 2 = 9,5693 ⋅10 −6 i 6,68489 exp(− 0,56010i ) .
Максимальная относительная погрешность Δ = 5,78 %.
Статистическая модель радиального прироста лиственницы сибирской
(лесной парк) имеет вид:
b = 3,70184exp(−0,076282i 1,02767 ) + a1 cos(πi / p1 − 0,3311) + a2 cos(πi / 2,01833 − 1,0217) ,
(4)
4 , 42022
a1 = 0,000267i
exp(− 0,30201i ) ;
p1 = 4,0982 + 0,003394i 2,39266 ;
a 2 = 6,797 ⋅10 −6 i 6,68489 exp(− 0,56010i ) .
Максимальная относительная погрешность Δ = 3,94 %.
Береза бородавчатая. Модель радиального прироста городского березняка изменяется по закономерности
b = 1,62850 exp( −0,0021616i 1,94036 ) − a1 cos(πi / p1 − 0,4355) + a 2 cos(πi / 1,6101 + 2,5244 ) , (5)
62
a1 = 0,0056492i 2,85681 exp(− 0,19748i ) ;
p1 = 1,7628 + 0,0075894i 1,05061 ;
a 2 = 0,0089315i 12,1154 exp(− 3,02371i ) .
Максимальная относительная погрешность Δ = 11 %.
Прирост березняка, растущего в лесопарковой зоне, выражается формулой статистической закономерности:
b = 2,06799 exp( −0,00083645i 2,13224 ) − a1 cos(πi / p1 + 0,7501) + a 2 cos(πi / 1,9657 + 4,7025) , (6)
a1 = 0,014958i 2, 42146 exp(− 0,17009i ) ;
p1 = 0,6946 + 0,043030i 1, 47575 ;
a 2 = 1,2918 ⋅ 10 −6 i 22,7798 exp(− 4,6715i ) .
Максимальная относительная погрешность Δ = 16,2 %.
Липа мелколистная. Модель радиального прироста городского липняка:
b = 5,99188 exp( −1,18335i 0,023733 ) + a1 cos(πi / p1 + 2,9859 ) − a 2 cos(πi / 2,0486 + 1,4283) , (7)
a1 = 4,0844 ⋅10 −6 i 13,6412 exp(− 1,80234i ) ;
p1 = 1,9374 + 0,000087972i 2,83275 ;
a 2 = 0,66440i 0,18925 exp(− 0,05688i ) .
Максимальная относительная погрешность Δ составляет 71 %, поскольку
возраст исчисляется двадцатилетиями, а годичные слои – пятилетиями.
Уравнение радиального прироста лесного липняка имеет вид:
b = 5,84289 exp( −0,64267i 0,09899 ) + a1 cos(πi / p1 + 5,7263) + a 2 cos(πi / 0,9995 − 1,6863) , (8)
a1 = 0,37880i 1,32905 exp(− 0,26323i ) ;
p1 = 6,0333 − 3,00328i 0,092331 ;
a 2 = 2,41745i 0,10548 exp(− −0,048030i ) .
Максимальная относительная погрешность Δ = 13 %.
Сравнение графиков городских и лесных древостоев по радиальному
приросту заболони деревьев представлено на рис. 1, рис. 2, рис. 3 и рис. 4.
5
Прирост
городского
сосняка
Прирост
лесного
сосняка
Радиальный прирост, м
4,5
4
3,5
3
2,5
2
1,5
1
0,5
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45 50 55 60
65
Возраст древостоя, лет
70
75
80
85
90
95
100
Рис. 1 Графики изменения радиального прироста заболони сосны
в зависимости от возраста и места произрастания
На графике (рис. 1) видно, что на протяжении первых 20 лет жизни сосна
является устойчивым древостоем к воздействию антропогенных факторов городской среды.
63
4
Прирост заболони
городской
лиственницы
Радиальный прирост, м
3,5
Прирост заболони
лесной лиственницы
3
2,5
2
1,5
1
0,5
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60
65
70
75
80
85
90
95
100
Возраст древостоя, лет
Рис. 2 Графики изменения радиального прироста заболони лиственницы
в зависимости от возраста и места произрастания
По графикам на рис. 2 видно, что лиственница на протяжении первых 12
лет жизни также устойчива к воздействию вредных факторов городской среды.
3,5
Прирост городского
березняка
Радиальный прирост, м
3
Прирост лесного
березняка
2,5
2
1,5
1
0,5
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60
65
70
75
80
85
90
95
100
Возраст древостоя, лет
Рис. 3 Графики изменения радиального прироста заболони березы
в зависимости от возраста и места произрастания
Что касается березняка, то данная дендрологическая порода неустойчива
к городским антропогенным факторам (рис. 3). На это указывает волновая зависимость с малыми, по сравнению с лесным березняком, амплитудой и частотой
колебательного возмущения, зависящего и от естественных факторов.
64
4
Прирост городского
липняка
Радиальный прирост, м
3,5
Прирост лесного
липняка
3
2,5
2
1,5
1
0,5
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60
65
70
75
80
85
90
95
100
Возраст древостоя, лет
Рис. 4 Графики изменения радиального прироста заболони липы
в зависимости от возраста и места произрастания
Реакция липы мелколистной на воздействие антропогенных факторов городской среды наблюдается на протяжении всей жизни дерева (рис. 4). Соответственно, липа является неустойчивой породой к негативным факторам городского парка.
Схожая конфигурация графиков лесного и городского древостоев обусловлена общими факторами, влияющими на прирост заболони, например,
климатическими условиями. При этом все древостои имеют общую закономерность, но отличаются только значениями параметров статистических моделей.
Библиографический список
1. Ружицкая, С. С. Влияние антропопгенных факторов на рост основных
древесных пород [Текст]: автореф. дис. …канд. с.-х. наук (№ 561) / С. С. Ружицкая. – М., 1970. -24 с.
2. Мазуркин, П. М. Статистическое моделирование (эвристико - математический подход) [Текст]/ П.М. Мазуркин. – Йошкар-Ола: МарГТУ, 2001. – 100 с.
3. Мазуркин, П. М. Дендрометрия. Статистическое древоведение: учебное
пособие (части 1 и 2) [Текст] / П.М. Мазуркин. – Йошкар-Ола: МарГТУ, 2003. –
308 с. и 205 с.
4. Мазуркин, П. М. Геоэкология. Закономерности современного естествознания: научное издание [Текст] / П. М. Мазуркин. – Йошкар-Ола: МарГТУ,
2004. – 336 с.
5. Мазуркин, П. М. Статистическая экология [Текст]: учебное пособие /
П. М. Мазуркин. – Йошкар-Ола: МарГТУ, 2003. – 278 с.
65
УДК 630*232.12+630*176.232.3
ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА ВНЕДРЕНИЯ СОРТОВЫХ
ТОПОЛЕЙ В ЛЕСНЫЕ КУЛЬТУРЫ ЦЧО (НА ПРИМЕРЕ
ВОРОНЕЖСКОЙ И ТАМБОВСКОЙ ОБЛАСТЕЙ)
В.А. Царев
Воронежская государственная лесотехническая академия
Представлены сведения о лесном фонде ЦЧО, продуктивность, таксовая оценка ликвидной древесины евро-американских сортов тополя и экономический эффект от их внедрения в культуры ЦЧО.
Ввиду дефицита древесины, особенно в малолесных районах ЦЧО, и сложившейся в последние годы в регионе агроклиматической обстановки, возникает интерес к быстрорастущим породам, способным в кратчайшее время обеспечить страну древесиной и создать защиту от ветровой и водной эрозии, а
также улучшить рекреационные условия.
По данным В. Г. Шаталова, более 2/3 площади пашни, 1/5 сенокосов и половина пастбищ страдают от эрозии почв, засухи и суховеев. Ежегодно убыль
гумуса в пашне превышает 0,5 т/га. Площадь действующих оврагов достигает в
стране почти 1 млн. га, заовраженных земель – 5 - 8 млн. га. В реки и водоемы
только Донского бассейна ежегодно поступает до 300 млн. т почвы [5].
Экологическая обстановка в ЦЧО оценивается на уровне сложной и небезопасной. Только в Воронежской области насчитывается более 4 тыс. действующих оврагов. Подвержены водной эрозии 65,8 тыс. га, ветровой – 125 тыс.
га. Эродировано-опасными считаются 1942 тыс. га земель. А по загрязнению
почв тяжелыми металлами города Воронеж, Белгород, Курск и Липецк входят в
число 99 городов России с неблагоприятной экологической обстановкой [2].
Среди мероприятий по защите пахотных земель и обеспечению запасов
древесины важнейшее место отводится лесокультурному делу, агролесомелиорации и защитному лесоразведению.
Лесистость областей региона, по данным государственного учета лесного
фонда России [3], составляет 7,9 – 10,5 % (табл. 1). С учетом сложившейся ситуации экологическая лесистость региона, по данным А. Д. Лозового, должна
быть не менее 15 % [4]. А полезащитная лесистость должна подняться от 1,35
%, как имеется сейчас, до 3,5 % [6].
Общий фонд земель для лесовосстановления в ЦЧО и, примыкающей к
ней Орловской области составляет 15 тыс. га, в т.ч.: для создания лесных культур – 5,9 тыс. га (табл. 1). Кроме того, существует еще лесомелиоративный
фонд (овражно-балочные системы, земли под полезащитные лесные полосы,
водоохранные и другие); а также земли, отведенные под рекреационную зону
(парки и озеленительные насаждения).
©
Царев В.А., 2007
Таблица 1
Некоторые сведения о лесном фонде ЦЧО (по данным госстатучета на 01.01.2003 г. [3])
Покрытая лесом
площадь, тыс. га
В т.ч. лесОбщая ные культуры
Общий фонд земель для лесовосстановления,
тыс. га
ПрогалиВ т.ч. под
ВырубГари
ны, пусты- Итого:
лесные
ки
ри
культуры
Характеристика
осинников
Общая
Средний
площадь,
запас,
тыс. га
м3/га
Белгородская
246,1
232,5
55,0
8,6
0,3
0,6
0,8
1,7
0,6
5,1
147
Воронежская
497,5
435,5
136,5
8,3
1,3
2,4
3,7
7,4
2,8
22,6
116
Курская
263,5
238,1
58,9
7,9
0
0,7
1,2
1,9
0,8
15,3
197
Липецкая
200,9
182,0
79,6
7,6
0,1
0,6
1,1
1,9
0,7
11,2
229
Орловская
203,1
193,6
32,8
7,8
0
0,2
0.1
0,3
0,2
22,1
211
Тамбовская
402,1
361,2
135,2
10,5
0,1
1,6
0,1
1,8
0,8
36,5
157
Лесистость, %
66
Область
Площадь
земель
лесного
фонда,
тыс. га
67
Учитывая такие большие объемы предстоящих работ по завершению законченной системы защитного лесоразведения и необходимость создания лесных культур с целью выращивания древесины, необходимо особое внимание
уделять ассортименту культивируемых лесных пород и подбирать наиболее устойчивые и быстрорастущие сорта, способные обеспечивать ранний эффект агролесомелиоративного воздействия и короткий срок окупаемости затрат.
Более всего этим требованиям отвечают тополя. Доля участия тополей во всех
видах защитных насаждений Воронежской области составляет 7,6 % [6]. В полезащитных полосах она существенно выше и в 1991 – 1994 г.г. составляла 43,8 % [8].
Целью нашего исследования явилась попытка проведения экономической
оценки внедряемых в лесные культуры отселектированных в результате многолетних исследований лучших сортов тополей.
В результате многолетних испытаний различных видов, форм, клонов и сортов тополей отечественной и зарубежной селекции (более 300 наименований),
проведенных НИИЛГиС на более чем 30 сортоиспытательных участках за период
с 1971 по 2000 г.г., были разработаны ассортименты для различных регионов
страны (лесостепь, степь, полупустыня) и целевых назначений (плантационные на древесину, защитные, озеленительные и рекреационные насаждения) [7].
Для условий ЦЧО рекомендованы в основном евро-американские сорта
тополей, которые могут использоваться во всех видах насаждений. Характеристика некоторых из них приведена в табл. 2.
Средняя высота лучших сортов евро-американских тополей в 24 года
варьировала от 28,9 до 31,4 м; диаметр – от 31,5 до 45,6 см; объем ствола – от
0,86 до 1,99 м3; а расчетный средний запас древесины с учетом сохранности деревьев (83 – 100 %) – от 355 до 913 м3/га. Эти данные у местного тополя – осокоря (контроль) были существенно ниже и составляли 25,6 м; 31,7 см; 0,77 м3 и
193 м3/га соответственно при сохранности 50 %.
Распределение запасов древесины тополей по сортиментам проводились по
таблицам Л.В. Бицина с учетом I-го разряда высот [1]. Из данных табл. 3 видно,
что рекомендуемые сорта тополей производят в основном деловую крупную и деловую среднюю древесину (около 200 и 250 м3/га соотвественно), в то время как
контроль (осокорь) – только деловую среднюю и всего лишь в объеме 147 м3/га.
Процентное соотношение древесины по сортиментам у сортовых тополей
следующее: крупная деловая древесина составляет 38 %, средняя деловая – 43
%, мелкая деловая – 3 %, дрова – 2 % и отходы составляют 14 %. У контроля
крупной деловой древесины нет, а средняя и мелкая деловая составляют 76 % и
8 %; дрова и отходы – 2 % и 14 % соответственно.
Таксовая стоимость древесины, согласно Постановлению Администрации
Воронежской области от 15.03.2004 г. за № 228, отпускаемая на корню по I-му
разряду такс для крупной деловой древесины равна 199,3 руб., средней деловой
– 114,7 руб., мелкой деловой – 12,3 руб. и дров – 0,6 руб. за 1 м3.
Оценка таксовой стоимости ликвидной древесины, отпускаемой на корню
(табл. 4), показала, что общая стоимость древесины сортовых тополей с 1 га варьирует от 44 до 92 тыс. руб., в то время как в контроле она составляет 17 тыс. руб./га.
68
Таблица 2
Продуктивность евро-американских сортов тополя в Семилукском популетуме (возраст 24 года, размещение 5 × 4 м)
ПреИнв. № по Сохран Вы- Диа- Объем Средний вышеколлек- ность, сота, метр, ствола, запас, ние над
Тополь
ции НИ%
м3/га контром
см
м3
ИЛГиС
лем, раз
Брабантика - 175
56
96 29,6 40,4
1,44
689
3,6
Брабантика – 175
158
71 29,5 39,2
1,36
503
2,6
Брабантика – 176
36
96 30,2 38,5
1,34
645
3,3
Вернирубенс
54
92 29,9 35,9
1,15
530
2,7
Гельрика
21
88 29,8 42,6
1,65
726
3,8
Гельрика
80
88 29,5 39,7
1,39
613
3,2
2,4
Каролинский 162
83 28,6 36,4
1,12
465
4,1
162
78
92 31,4 45,6
1,99
913
3,7
Регенерата
79
75 31,0 45,4
1,91
718
3,0
Регенерата
90
79 30,0 40,2
1,45
574
2,6
Регенерата
57
100 28,9 34,1
1,01
503
1,8
Робуста
161
83 28,9 31,5
0,86
355
2,5
Сакрау – 59
19
83 29,4 36,5
1,17
486
Серотина
131
50 25,6 31,7
0,77
193 Контр.
Осокорь (контроль)
Таблица 3
Распределение запасов древесины различных сортов тополя по сортиментам, м3/га
Тополь (инв. номер)
Брабантика – 175 (№№ 56,
158)
Брабантика – 176 (№ 36)
Вернирубенс (№ 54)
Гельрика (№ 21, 80)
Каролинский – 162 (№
162)
Регенерата (№№ 78, 79,
90)
Робуста (№57)
Сакрау – 59 (№161)
Серотина (№19)
Осокорь (контроль)
Деловая древесина
крупная
средняя
Мелкая
Дрова
Отходы
Итого
191
253
201
254
177
279
191
135
185
217
288
228
288
200
316
217
152
208
15
20
16
20
14
22
15
11
15
10
13
11
13
9
15
10
7
10
70
93
74
94
65
103
70
50
68
503
667
530
669
465
735
503
355
486
0
147
15
4
27
193
Экономический эффект от внедрения в лесные культуры сортовых тополей
составляет 27 – 75 тыс. руб./га. В среднем для евро-американских сортов тополя
69
экономический эффект составляет 51425 тыс. руб./га.
Таблица 4
Таксовая стоимость ликвидной древесины различных сортов тополей,
руб./га
Тополь
Брабантика - 175
Брабантика – 176
Вернирубенс
Гельрика
Каролинский 162
Регенерата
Робуста
Сакрау – 59
Серотина
Осокорь (контроль)
Деловая древесина:
Круп- Средняя Мелкая
ная
Дрова
Общая
стоимость
Экономический
эффект
38066
50423
40059
50622
35276
55605
38066
26905
36870
24890
33034
26152
33034
22940
36245
24890
17434
23858
185
246
197
246
172
271
185
135
185
6
8
7
8
5
14
6
4
6
63147
83711
66415
83910
58393
92135
63147
44478
60919
46099
66663
49367
66862
41345
75087
46099
27430
43871
0
16861
185
2
17048
контроль
Следует отметить, что в данной экономической оценке учитывается лишь только конечный продукт – древесина. Не приводятся данные по защитной и рекреационной значимости вновь создаваемых лесных насаждений в регионах с низкой естественной лесистостью.
Нами также проведена оценка тополей, испытываемых на Шехманском сортоучастке Тамбовской области, созданном весной 1986 г., где испытывается 11 новых гибридов тополей селекции НИИЛГиС и известные сорта Пионер и Робуста. В
табл. 5 и 6 представлены данные динамики роста тополей по высоте и диаметру за
20 лет. Причем, замеры проводились до 12 - летнего возраста (1997 г.), а далее до 20
- летнего возраста (2005 г.) была осуществлена графическая экстраполяция.
Сравнение полученных конечных данных с фактическим ростом маточных деревьев в коллекции НИИЛГиС показывает на идентичность их хода роста и позволяет
использовать их в дальнейших сравнениях.
Достоверно лучшими по росту на этом участке были следующие три гибрида:
евро-американский черный тополь Робуста (спонтанный гибрид); гибрид А.С. Яблокова – Пионер и новый гибрид селекции НИИЛГиС высокодекоративный серебристый тополь Ведуга (автор гибрида А. П. Царев). В 12 - летнем возрасте они имели высоту 15,8; 14,1; 15,0 м; диаметр – 21,8; 18,7; 21,1 соответственно.
Таблица 5
Динамика роста гибридных тополей на Шехманском сортоучастке по высоте
Гибрид
1
2
3
Высота (Н, м) в зависимости от возраста (лет)
4
5
6
7
8
9
12
Белые тополя:
Ведуга
1,1
1,8
3,0
5,4
6,6
8,5
9,5
10,8
11,8
Черные тополя:
Вертикаль
Пролог
Пионер
Робуста
0,8
0,8
1,2
1,1
1,6
1,7
2,5
2,6
3,1
2,9
3,5
3,8
4,9
4,6
5,9
6,0
5,8
5,5
7,0
7,3
7,2
6,7
8,3
9,0
7,6
7,2
9,4
10,6
8,9
8,7
10,5
11,9
Межсекционные
гибриды:
Арктур
Арта
Версия
Гелий
Передел
Сатурия
Эрида
Стройн
1,1
0,8
0,7
1,1
0,7
0,9
0,8
0,7
1,7
1,6
1,7
1,7
1,8
1,6
1,5
2,3
2,9
3,1
3,3
2,9
3,4
3,2
3,1
2,8
4,5
4,8
5,0
4,8
5,4
4,9
5,1
5,1
5,5
5,8
6,0
5,8
6,1
5,6
6,0
6,2
6,5
7,1
7,4
6,3
7,2
6,8
7,6
7,7
6,9
7,5
7,7
7,1
8,1
7,2
8,4
8,3
0,9
1,9
3,1
5,1
6,1
7,4
8,2
17
20
15,0
17,3
19,0
21,2
10,1
9,3
11,4
13,2
12,4
11,4
14,1
15,8
15,3
13,8
16,7
18,9
16,9
15,3
18,4
21,0
19,4
17,6
21,1
23,3
7,9
8,6
9,2
7,8
10,1
8,6
9,4
10,0
8,9
9,6
10,4
8,6
11,0
9,4
10,5
10,9
11,1
12,0
12,4
11,0
13,5
11,6
13,4
13,3
13,4
14,2
14,7
13,2
16,2
13,7
15,9
15,5
14,8
15,7
16,2
14,5
17,8
15,2
17,5
17,0
17,1
17,8
18,3
16,6
20,3
17,2
20,3
20,1
9,4
10,4
12,8
15,3
16,9
19,3
70
Среднее по участку
(контроль)
15
Таблица 6
Динамика роста гибридных тополей на Шехманском сортоучастке по диаметру и их продуктивность
Диаметр (D, см) в зависимости от возраста (лет)
Гибрид
5
6
7
Белые тополя:
Ведуга
5,8
8,0
8,7
Черные тополя:
Вертикаль
Пролог
Пионер
Робуста
Межсекционные
гибриды:
Арктур
Арта
Версия
Гелий
Передел
Сатурия
Эрида
Стройн
Среднее по участку
(контроль)
9
12
15
17
20
9,6 10,8
12,7
21,1
24,4
26,7
30,3
41
0,599
374
4,5
3,9
6,7
5,6
6,1 8,1 8,5 10,4
5,4 7,4 8,0 9,8
8,8 10,7 11,7 13,5
9,2 12,1 13,5 15,6
11,7
10,7
14,8
16,8
14,9
13,4
18,7
21,8
18,5
16,3
22,5
26,3
21,0
18,3
25,2
29,7
24,6
21,2
29,3
32,3
71
70
75
81
0,340
0,238
0,488
0,705
212
149
305
441
3,6
4,3
4,2
5,0
4,1
3,5
4,0
4,5
5,3
6,1
6,0
6,3
6,2
4,6
5,9
6,0
9,9
10,8
10,4
9,0
10,5
7,3
11,0
10,7
11,0
11,1
12,0
10,1
11,6
8,8
11,8
11,9
14,6
14,4
15,8
12,3
14,9
11,0
16,2
15,8
17,6
17,3
19,6
15,3
18,0
13,7
20,1
19,3
19,9
19,3
22,1
17,2
20,4
15,5
22,7
21,8
23,2
22,3
25,8
19,7
23,7
18,3
26,4
25,6
81
87
70
50
79
63
84
80
0,292
0,282
0,370
0,199
0,317
0,192
0,405
0,380
182
176
231
124
198
120
253
238
0,356
222
7,2
7,5
7,6
7,6
7,3
5,6
7,9
8,3
8,0
8,3
8,3
8,0
8,8
6,1
9,0
8,9
8
15,8
24,8
71
4
Сохран- Объем Средний
ствола,
запас,
ность,
3
м
м3/га
%
в возрасте 20 лет
72
Средние величины этих таксационных показателей в целом по Шехманскому сортоиспытательному участку, принятые за контроль, составили 12,8 м и 15,8 см. То есть,
вышеназванные гибриды в 12 лет на 10 – 23 % по высоте и на 18 – 38 % по диаметру
превышали контроль. Расчеты показывают, что в 20 лет (т.е. в возрасте технической
спелости древесины) эта тенденция сохраняется.
Приближаются по этим показателям к вышеназванным трем тополям еще 5 новых
межсекционных гибридов селекции НИИЛГиС, такие как: Вертикаль, Версия, Стройн, Эрида и Передел (в 20 лет: высота – 18,3 – 20,3 м; диаметр 24 – 26 см при сохранности 70 – 84 %).
Расчетный запас древесины первых трех тополей в 20 – летнем возрасте
составляет 354 – 459 м3/га, последующих пяти – 226 – 274 м3/га, у остальных –
менее 200 м3/га (у контроля -178 м3/га).
Учитывая продуктивность испытываемых тополей и их сохранность, можно
отметить, что тополя Пионер и Робуста можно рекомендовать как в защитные насаждения, так и в массивные – для выращивания древесины, а гибриды Вертикаль,
Стройн, Передел, Эриду и Версию – в защитные насаждения. Тополь Ведуга имеет
высокую энергию роста, но низкую сохранность (41 %), отличается высокой декоративностью (пирамидальная форма кроны и серебристые листья) и может быть
рекомендован во все типы насаждений, но с загущенной посадкой.
Таким образом, анализ роста и сохранности тополей на Семилукском популетуме и Шехманском сортоучастке позволяет подтвердить правильность ранее разработанного для условий ЦЧО ассортимента, а таксовая оценка ликвидной древесины, выращенной из евро-американских тополей, составляет 44 – 92 тыс. руб./га, т.е. экономический эффект от их внедрения в лесные культуры составляет 27 – 75 тыс. руб./га. Эта
оценка проведена без учета рекреационной и защитной ценности насаждений.
Библиографический список:
1. Бицин, Л. В. Таблицы для таксации тополевых культур [Текст] / Л. В.
Бицин. – М.: Лесная пром-сть, 1967. – 61 с.
2. Джувеликян, Х. А. Экология, город, человек [Текст] / Х. А. Джувеликян. – Воронеж: ВГУ, 1996. – 106 с.
3. Лесной фонд России (по данным государственного учета лесного фонда по
состоянию на 1 января 2003 г.) [Текст] / Справочник. – М.: ВНИИЛМ, 2003. – 640 с.
4. Лозовой, А. Д. Леса Воронежской области, их прошлое и настоящее [Текст]
/ А. Д. Лозовой // Природа и человек / Сб. статей ; ВГУ. – Воронеж, 1997. – С. 31 – 35.
5. Шаталов, В. Г. Лесные мелиорации [Текст] : учеб. / В. Г. Шаталов. –
Воронеж: Квадрат, 1997. – 220 с.
6. Шаталов, В. Г. Зеленый щит полей [Текст] / В. Г. Шаталов, В. И. Михин // Природа и человек / Сб. статей. – Воронеж: ВГУ, 1997. – С. 23 – 30.
7. Царев, А. П. Рекомендации по выращиванию насаждений тополя в юговосточной части европейской территории РСФСР [Текст] / А. П. Царев ; ЦНИИЛГиС. – Воронеж, 1986. – 37 с.
8. Царева, Р. П. Опытные объекты по испытанию тополей для защитного
лесоразведения [Текст] / Р. П. Царева, И. Б. Мякинин // Опытная база в лесной селекции / Сб. научн. трудов ; НИИЛГиС. – Воронеж : Квадрат, 1995. – С. 73 – 79.
73
УДК 630*26
ФИТОМЕЛИОРАТИВНЫЕ МЕРОПРИЯТИЯ НА
ПАСТБИЩНЫХ ЗЕМЛЯХ АСТРАХАНСКОЙ ОБЛАСТИ
Е.Н.Тихонова, В.Н. Пышкин
Воронежская государственная лесотехническая академия
Обобщены многочисленные литературные данные об истории проведения пескозакрепительных работ на Астраханских песках. Дана характеристика наиболее перспективным
культурам, используемым для мелиоративных работ. Рекомендованы оптимальные сроки и
способы создания фитомелиоративных насаждений.
В Прикаспийском регионе сосредоточены основные площади природных пастбищ аридных территорий России (14,5 млн. га), которые были, есть и в перспективе останутся основой кормовой базы местного мясного скотоводства, овцеводства,
верблюдоводства. Они определяют состояние биологических ресурсов, особенности
биоразнообразия и качество среды обитания человека в этом регионе. Однако в результате переэксплуатации более половины этих пастбищ деградированы: из состава
травостоя выпали 8-10 ценных видов, его продуктивность снизилась в 2-5 раз. Практически около половины степных пастбищ являются землями, подверженными в той
или иной степени ветровой эрозии. Такое неудовлетворительное состояние пастбищ
ставит задачу разработки адаптивных систем ускоренного экологического восстановления и повышения продуктивности деградированных пастбищ Прикаспия. Кроме того, в области имеется более 50 тыс. га развеваемых барханных песков, которые
постоянно угрожают степным пастбищам, населенным пунктам и путям сообщения.
Рост площадей подвижных песков и приносимый ими вред различным
отраслям хозяйства не могли не обратить на себя внимания. Интерес к пескам,
возникший в 30-х годах XIX века, приобрел большую остроту в 70-х годах, когда распространение песков приняло весьма угрожающий характер. Правительство направляло в Астраханскую губернию чиновников и отдельных специалистов для определения мер борьбы с песчаной стихией. Их деятельность в течение двух десятилетий сводилась к собиранию опросным путем сведений о распространении песков, их характере, вреде, который они приносят и пр. Была
учреждена также особая комиссия с подобными же целями. Но все это, конечно, не дало никаких практических результатов.
Только в конце 80-х годов, с передачей песчаных площадей в ведение
Министерства государственных имуществ, были сделаны кое-какие попытки
проведения пескозакрепительных работ. К 1870 г. В б. Астраханском крае
площадью 20 млн га насчитывалось свыше 4 млн га сыпучих подвижных песков и столько же полуразбитых песчаных почв.
©
Тихонова Е.Н., Пышкин В.Н., 2007
74
Пескоукрепительные работы на Астраханских песках больших размеров
достигли после Октябрьской революции, когда была создана специальная краевая Астраханская пескоукрепительная организация. В 1919 г. По постановлению Второго астраханского краевого съезда Советов борьба с подвижными
песками и рациональное использование песчаных территорий были признаны
делом государственной важности. Все пески края были выделены в особый государственный лесомелиоративный фонд.
В период первой мировой, а затем гражданской войны пескозакрепительные и опытные работы на песках юго-востока, как и в некоторых других районах нашей страны, были сильно сокращены, а местами совершенно прекращены. Тем не менее, после установления советской власти в Астрахани был принят местный декрет «Об обязательном закреплении песков». За период с 1918
по 1932 г. Было освоено песков под пастбища около 500 тыс. га.
Практические мероприятия по закреплению и освоению песков в Прикаспии с самого начала приобрели несколько специфический характер. Это своеобразие было обусловлено обширностью площадей песков, сложной природой
данных песков, особенностями природных условий вообще и экономическими
причинами, главным образом необходимостью обеспечить потребности местного животноводческого хозяйства в кормах. Главной целью пескозакрепительных работ в Астраханской области являлось обращение песков в пастбищные и сенокосные угодья. Поэтому на преобладающих по площади песках пустынной части Северного Прикаспия пескозакрепительные работы производились путем посева различных трав. Одновременно осуществлялись мероприятия по охране песков от чрезмерного стравливания растительности и разбивания их, а также в целях естественного восстановления травостоя песков. Местами на незначительных площадях производились посадки различных кустарников, главным образом джузгуна, тамарикса и ив, а в некоторых пунктах в
опытном порядке испытывались посадки древесных, а также других кустарниковых пород [4].
Изучение процессов и закономерностей естественного зарастания песков
дает возможность активно вмешиваться в ход этих процессов, ускорять и даже
изменять их в желательном направлении, чтобы повысить продуктивность песчаных пастбищ, улучшить качество их травостоя, что имеет весьма важное значение для развития животноводства в условиях пустыни [1].
Для создания пастбищных мелиоративно-кормовых насаждений используют саксаулы (черный и белый), кандымы, прутняки, терескен, камфоросму,
полыни, солянки, тамариксы и другие растения, которые хорошо поедаются скотом и обладают высокими кормовые качествами. Выпас скота на пастбищах с
редкостойно-кустарниковыми насаждениями начинается с третьего года после
создания насаждений. Допустимая нагрузка и продолжительность выпаса строго
регулируется.
В Астраханской области лесхозы закрепляют пески путем подсева песчаного овса. Ежегодно песчаным овсом в области засевают 3-4 тыс. га голых песков. Сельскохозяйственные предприятия охотно представляют площади для посева песчаного овса и оказывают содействие лесхозам в проведении этих работ.
75
Это выгодно для хозяйств, так как на 3-4-й год на таких песчаных массивах
можно не только пасти скот, но и заготавливать сено [2].
Подвижные пески закрепляются травами с целью превращения их в пастбища и сенокосы. Закрепление производится посевом семян, пересадкой целых
растений или частей. Закреплению травами подвижных песков способствует
относительно благоприятный их водный режим. Даже после длительных засух
усвояемая влага находится в них с глубины 10-15 см. Но эти пески не содержат
почвы. Они весьма бедны глинистыми частицами и гумусом. Кроме того, они
малосвязны, динамичны, начинают передвигаться уже при ветрах, имеющих
скорость 4,5-5 м/с, что является большим препятствием к их естественному зарастанию даже приспособившимися к этим условиям растениями-пионерами.
Пастбищные мелиоративно-кормовые насаждения создаются с целью повышения продуктивности низкоурожайных пастбищ в пустынях и полупустынях путем превращения их в травянисто-кустарниковые пастбища. Кустарники
на таких пастбищах улучшают также условия для выпаса скота, защищают почву от ветровой эрозии и служат дополнительным источником корма.
Редкостойно-кустарниковые насаждения создают бессистемным, сплошным посевом семян деревьев и кустарников в кулисы шириной 50-100 м с межкулисными разрывами такой же ширины. В Северном Прикаспии применяют
кулисы шириной 15-20 м, а межкулисные расстояния -30-40 м. Кроме кулисных
посевов рекомендуется посев рядами через 10 м, а на небольших участках –
сплошные посевы куртинами.
Древесно-кустарниковые насаждения являются наиболее действенной и
долговечной защитой в борьбе с ветровой эрозией. Для закрепления Астраханских песков пригодны такие кустарники, как джузгуны, тамариксы, лох.
Джузгуны (кандымы) – пустынные безлистные кустарники с игольчатыми побегами. В естественном состоянии джузгуны произрастают на подвижных
и полузаросших песках и песчаных почвах по всей Прикаспийской низменности, являются наиболее стойкими растениями, успешно растущими при посеве
на песках.
Благодаря мощной, глубокой и быстро развивающейся корневой системе
джузгун извлекает влагу из глубоких слоев песков. При засыпании песком у
него образуются придаточные корни на погребенной части ствола, от которого
прорастают через песок новые стебли. Разводят джузгун семенами, черенками и
отводками. При осенних посевах с заделкой на глубину 10 см семена весной
хорошо прорастают, и за лето всходы могут достигнуть высоты 1 м.
При посеве рядами они уже с первого года заменяют искусственные защиты, образуя кусты высотой до 2 м. По мере роста кусты необходимо омолаживать. Кроме посева можно применять посадку джузгуна однолетними сеянцами, выращенными из семян в питомнике. Одной из основных трав, широко
применяемых для закрепления песчаных земель, является песчаный овес или
кияк Elymus arenarius v. Giganteus. Песчаный овес – это многолетнее корневищное растение, наиболее приспособленное к произрастанию на подвижных
сыпучих песках, как при их естественном зарастании, так и при искусственных
посевах на них. Кияк хорошо развивается на рыхлых сыпучих песках с благо-
76
приятными условиями воздухообмена и водного режима. Семена кияка выносят
глубокую заделку, а само растение переносит периодическое засыпание песком.
Благодаря мощной корневой системе быстро укореняется и хорошо противостоит выдуванию; при заносах песком стебель образует придаточные корни и
быстро прорастающие на поверхность новые побеги. Высеивается песчаный
овес преимущественно вразброс. Норма высева - 10-15 кг на 1 га. При разбросном посеве семена не заделываются, но допускается посев с заделкой семян на
глубину 10-15 см. Лучшим временем для посева считается осень с сентября до
наступления морозов. Весенние посевы дают плохие результаты [3].
Посев песчаного овса предусматривается на участках с развеваемыми
песками в целях закрепления последних. В дальнейшем на этих участках будут
создаваться (под защитой песчаного овса) мелиоративно-кормовые насаждения.
Умеренное использование пастбищ и разумная их смена поддерживает
саморегуляцию и нормальный цикл биотического круговорота вещества. Пастбищно-кормовые насаждения являются длительно действующим биологическим фактором, благотворно влияющим на окружающую среду. Создавая около
себя микросферу, способствует развитию травянистой растительности, закрепляют от развевания пески и очаги дефляции на пастбищах.
Библиографический список
1. Бизяев, И. А. Облесение песков на юге и юго-востоке РСФСР [Текст] /
И. А. Бизяев Освоение песков: сб. науч. тр. – М.: Мин-во с.-х. СССР, 1960. - С.
21-27.
2. Иванов, А. Е. Закрепление, облесение и освоение песков [Текст] / А. Е.
Иванов, С. П. Ратьковский. – М.: Лесная пром-сть, 1972. - 45 с.
3. Иванов, А. Е. Комплексное освоение песков [Текст] / А. Е.Иванов, М.
М. Дрюченко. – М.: Изд-во с.-х. литературы, журналов и плакатов, 1962 г. 431с.
4. Якубов, Т. Ф. Опыт облесения и закрепления песков Северного Прикаспия [Текст] / Т. Ф. Якубов. – М.: Академия наук СССР, 1951. - 99 с.
77
УДК 630*176.322.6
СОСТОЯНИЕ И РЕСУРСНЫЙ ПОТЕНЦИАЛ ДУБРАВ
ЦЕНТРАЛЬНОГО И ЮЖНОГО ФЕДЕРАЛЬНЫХ ОКРУГОВ
РОССИИ
М.П. Чернышов, О.Г. Перевертайло
Воронежская государственная лесотехническая академия
Выполнена комплексная оценка состояния и ресурсного потенциала дубовых лесов. Установлены существенные различия в продуктивности высоко- и низкоствольных дубрав по субъектам Центрального и Южного федеральных округов Российской Федерации.
В теории и практике лесного хозяйства широко распространенное понятие «состояние лесов» трактуется довольно пространно и употребляется чаще
всего вместе с другими уточняющими терминами. Например, «состояние лесного фонда», «состояние лесных культур», «состояние естественного возобновления», «санитарное состояние лесов», «возрастное состояние» и т.д. В одном
из новых словарей [1]дано следующее определение этого термина.
«Санитарное состояние насаждений – это характеристика насаждений по комплексу признаков, в том числе по соотношению деревьев разных категорий состояния,
доле или запасу сухостоя и валежника и характеру его распределения в насаждении».
Термины «лесопатологическое состояние» и «санитарное состояние» насаждений довольно близки по своему смысловому содержанию и по критериям оценки. В действующих «Санитарных правилах в лесах Российской Федерации» [2] имеются специальные шкалы дифференцированной оценки категорий санитарного состояния деревьев хвойных и лиственных пород по комплексу диагностических признаков.
Применительно к лесным экосистемам того или иного уровня это понятие
имеет более широкий смысл и связано с еще более масштабным понятием «устойчивость». При этом, как правило, оценивается устойчивость объекта исследований по сравнению другим объектом или по отношению к чему-либо, например, «устойчивость экосистемы», «устойчивость горного ландшафта», «устойчивость экологическая», «устойчивость к неблагоприятным факторам среды», «устойчивость биогеоценоза к антропогенному воздействию», «устойчивость к рекреационным нагрузкам», «устойчивость к болезням» и т.д.
Понятие «устойчивость» никогда не было и не является односложным,
тем более в настоящее время, когда с ним стали связывать другие понятия и
термины, а именно: «устойчивость экосистем», «устойчивость ландшафта»,
«устойчивость леса», «устойчивость дубовых насаждений», «устойчивость деревьев», «устойчивость экологическая», «устойчивость социальная», «устойчивое управление», «устойчивое развитие» и т.д.
Применительно к лесным ресурсам это означает, что …. лесные ресурсы
©
Чернышов М.П., Перевертайло О.Г., 2007
78
и лесные земли следует содержать и использовать устойчивым образом для
удовлетворения социальных, экономических, экологических, общественных и
духовных потребностей настоящего и будущего поколений [3].
Современное состояние, устойчивость и ресурсный потенциал дубовых
лесов можно оценить при условии достоверных знаний о характере распределении их площади и запасов древесины по субъектам Центрального и Южного
федеральных округов Российской Федерации, где они произрастают.
В дубовых лесах в ЦФО и ЮФО сообразно с их происхождением (семенное, вегетативное, искусственное, смешанное) и в соответствии производительностью насаждений (классами бонитета) организовано две лесоводственнотехнические формы хозяйства: высоко- и низкоствольное. Из-за разной интенсивности ведения лесного хозяйства в прошлом и соответствующих режимов
пользования древесиной современное распределение площади дубовых лесов
по формам хозяйства сильно разнится.
Официальные сведения, характеризующие распределение площади дубовых лесов в целом и с подразделением их на высоко- и низкоствольные, по данным последнего государственного учета лесного фонда РФ по состоянию на
01.01.2003 г. [4], приведены в табл. 1.
Анализ данных таблицы 1 показывает, что в ЦФО наиболее богатыми по
занимаемой дубовыми лесами площади являются три области: Воронежская
(174,1 тыс. га), Белгородская (162,5 тыс. га) и Курская (117,1 тыс. га), а самыми
бедными четыре области: Тверская (0,2 тыс. га), Костромская (0,2 тыс. га),
Смоленская (1,5 тыс. га) и Ярославская (1,7 тыс. га). По доле площади дубрав
среди всех покрытых лесной растительностью земель лидирует Белгородская
(79,1%), Курская (57,2%), Воронежская (46,4%), Липецкая (35,8%) и Тульская
(32,7%) области.
Среди 17 областей ЦФО соотношение долей площади высокоствольных
насаждений изменяется от 0 до 91,8%, а низкоствольных – от 8,2 до 100,0%.
Ресурсный потенциал дубрав характеризуется не только их площадью, но
запасом ценной древесины. Поэтому целесообразно рассмотреть характер их
распределения по наличному запасу сырорастущей древесины (табл. 2).
Из таблицы видно, что в характере распределения дубовых лесов по общему запасу сырорастущей древесины в них в разрезе 17 областей ЦФО наблюдаются несколько иные тенденции и пропорции, чем при сопоставлении их
площади. Так, например, по абсолютной величине общего запаса дубовой древесины также как и по площади лидируют три области: Белгородская (27,32
млн м3), Воронежская (25,06 млн м3) и Курская (17,75 млн м3), а на последнем
месте - Тверская область (0,04 млн м3).
По доле дубовой древесины, выраженной в процентах от ее общего запаса, первые три места, но в иной последовательности занимают эти же три области: Белгородская (79,1%), Курская (54,1%) и Воронежская (43,9%).
Особый практический интерес представляет соотношение высоко- и низкоствольных дубрав по накопленным запасам древесины, характер которых
чрезвычайно изменчив по областям ЦФО.
Таблица 1
Распределение площади дубовых лесов Центрального федерального округа по областям и формам хозяйства
Всего,
тыс. га
205,4
754,5
979,0
375,6
734,2
703,1
3437,9
204,7
179,0
1580,0
126,9
783,1
932,6
311,0
2249,4
265,2
888,4
14710,0
Площадь покрытых лесной растительностью земель
в том числе по формам хозяйства
из них дубовые леса
высокоствольные
низкоствольные
тыс. га
162,5
45,8
6,0
174,1
2,4
24,6
0,2
117,1
64,0
26,3
41,3
76,4
1,5
56,3
0,2
86,6
1,7
887,0
%
79,1
6,1
0,6
46,4
0,3
3,5
0,0
57,2
35,8
1,7
32,5
9,8
0,2
18,1
0,0
32,7
0,2
6,0
тыс. га
100,9
31,1
1,5
80,4
0,0
16,2
0,0
57,2
34,2
14,5
37,9
39,5
0,9
35,2
0,0
60,4
0,4
510,3
%
62,1
67,9
25,0
46,2
0,0
65,9
0,0
48,8
53,4
55,1
91,8
51,7
60,0
62,5
0,0
69,7
23,5
57,5
тыс. га
61,6
14,7
4,5
93,7
2,4
8,4
0,2
59,9
29,8
11,8
3,4
36,9
0,6
21,1
0,2
26,2
1,3
376,7
%
37,9
32,1
75,0
53,8
100,0
34,1
100,0
51,2
46,6
44,9
8,2
48,3
40,0
37,5
100,0
30,3
76,5
42,5
79
Административнотерриториальные
образования
ЦФО РФ
(области)
Белгородская
Брянская
Владимирская
Воронежская
Ивановская
Калужская
Костромская
Курская
Липецкая
Московская
Орловская
Рязанская
Смоленская
Тамбовская
Тверская
Тульская
Ярославская
ИТОГО по ЦФО
80
Таблица 2
Характеристика ресурсов древесины и потенциала дубовых лесов Центрального федерального округа по областям и
формам хозяйства
Всех
лесов,
млн м3
34,53
139,19
168,53
57,14
127,47
140,11
562,85
32,82
35,43
352,21
23,62
137,87
178,25
50,31
377,55
55,33
146,24
2619,45
Общий запас древесины
из них в дубравах
в том числе по формам хозяйства
высокоствольных
низкоствольных
%
млн м3
млн м3
%
млн м3
%
27,32
7,79
1,17
25,06
0,43
5,66
0,05
17,75
11,53
5,39
7,26
15,12
0,27
7,77
0,04
16,09
0,33
149,03
79,1
5,6
0,7
43,9
0,3
4,0
0,0
54,1
32,5
1,5
30,7
11,0
0,2
15,4
0,0
29,1
0,2
5,7
18,65
5,38
0,30
14,60
0,00
3,83
0,00
9,21
6,63
2,92
6,60
7,80
0,17
5,43
0,00
11,05
0,09
92,66
68,3
69,1
25,6
58,3
0,0
67,7
0,0
51,9
57,5
54,2
90,9
51,6
63,0
69,9
0,0
68,7
27,3
62,2
8,67
2,41
0,87
10,46
0,43
1,83
0,05
8,54
4,90
2,47
0,66
7,32
0,10
2,34
0,04
5,04
0,24
56,37
31,7
30,9
74,4
41,7
100,0
32,3
100,0
48,1
42,5
45,8
9,1
48,4
37,0
30,1
100,0
31,3
72,7
37,8
80
Административнотерриториальные
образования
ЦФО РФ
(области)
Белгородская
Брянская
Владимирская
Воронежская
Ивановская
Калужская
Костромская
Курская
Липецкая
Московская
Орловская
Рязанская
Смоленская
Тамбовская
Тверская
Тульская
Ярославская
ИТОГО по ЦФО
81
Так, в целом доля высокоствольных дубрав изменяется от 0 до 90,9%, а
низкоствольных – от 9,1 до 100,0%. Наилучшее положение сложилось в Орловской, Тамбовской, Брянской, Тульской, Белгородской и Калужской областях,
где запас древесины в высокоствольных дубравах достаточно высокой и составляет соответственно 90,9; 69,9; 69,1; 68,7; 68,3 и 67,7% от общего запаса
сырорастущей дубовой древесины.
Неудовлетворительное с хозяйственной точки зрения положение сложилось в Тверской, Костромской и Ивановской областях, где практически все
дубравы (100%) представлены низкоствольниками.
Расчетные данные, характеризующие абсолютные величины средних запасов древесины на 1 га в дубравах ЦФО в целом и с учетом формы хозяйства
по состоянию на 01.01.2003 г., представлены в табл. 3.
С точки зрения сравнения оценок имеющихся ресурсов древесины и ресурсного потенциала важно знать среднюю производительность дубрав в расчете на 1 га покрытой лесной растительностью земель. Производительность
дубрав зависит от их возраста, полноты и степени соответствия типам условий
произрастания.
На основании данных, приведенных в табл. 3, можно сделать два заключения. Первое, что высокоствольные дубравы практически во всех областях
ЦФО превосходят по абсолютной величине среднего на 1 га запаса древесины
низкоствольные дубравы. Второе, что средние запасы древесины на 1 га в высокоствольных дубравах выше средних запасов для дубрав в целом на 5,562,5%. Приведенные показатели еще раз убедительно доказывают необходимость перевода имеющихся низкоствольных дубрав, которые, как правило, являются порослевыми и менее устойчивыми, в высокоствольные.
Аналогичный анализ проведен и для дубовых лесов Южного федерального округа. Полученные результаты и обобщенные данные, характеризующие их
современное состояние и ресурсный потенциал на 01.01.2003 г. [4], приведены
в табл. 4-6.
В Южном федеральном округе на долю всех дубрав приходится всего
31,5% площади покрытых лесной растительность земель региона. На территории Северного Кавказа дубравы занимают по площади 36,3%. Варьирование
долей площади дубрав по административно-территориальным образованиям
достаточно велико, от 2,0% (Астраханская область) до 48,8% (Краснодарский
край).
Соотношение высокоствольных и низкоствольных дубрав в пользу последних, за исключением республик Ингушетия (72,0 и 28,0%), Адыгея (60,2 и
39,8%) и Северная Осетия-Алания (58,9 и 41,1%). Наихудшее соотношение
сложилось в Карачаево-Черкесской республике (0,6 и 99,4%), в республике Дагестан (2,6 и 97,4%), Волгоградской области (3,3 и 96,7%) и республике Калмыкия (8,3 и 91,7%).
Соотношение высокоствольных и низкоствольных дубрав по запасу древесины пользу во всех субъектах региона последних, за исключением республик Ингушетия (73,3 и 26,7%) и Адыгея (59,2 и 40,8%).
82
Таблица 3
Показатели, характеризующие площадь и запасы древесины в дубравах Центрального федерального округа по областям
и формам хозяйства
Показатели дубовых лесов:
Административнов том числе по формам хозяйства:
Средний запас древесины,
Всего
территориальные
м3/га
Высокоствольные
Низкоствольные
образования
ПлоПлоВысоко- НизкоЦФО РФ
площадь,
Запас,
Запас,
Запас,
щадь,
щадь,
Всего
стволь- стволь(области)
тыс. га
млн м3
млн м3
млн м3
ной
тыс. га
тыс. га
ной
Белгородская
162,5
27,32
100,9
18,65
61,6
8,67
168
185
141
Брянская
45,8
7,79
31,1
5,38
14,7
2,41
170
173
164
Владимирская
6,0
1,17
1,5
0,30
4,5
0,87
195
200
193
Воронежская
174,1
25,06
80,4
14,60
93,7
10,46
144
182
112
Ивановская
2,4
0,43
0,0
0,00
2,4
0,43
179
0
179
Калужская
24,6
5,66
16,2
3,83
8,4
1,83
230
236
218
Костромская
0,2
0,05
0,0
0,00
0,2
0,05
250
0
250
Курская
117,1
17,75
57,2
9,21
59,9
8,54
152
161
143
Липецкая
64,0
11,53
34,2
6,63
29,8
4,90
180
194
164
Московская
26,3
5,39
14,5
2,92
11,8
2,47
205
201
209
Орловская
41,3
7,26
37,9
6,60
3,4
0,66
176
174
194
Рязанская
76,4
15,12
39,5
7,80
36,9
7,32
198
198
198
Смоленская
1,5
0,27
0,9
0,17
0,6
0,10
180
189
167
Тамбовская
56,3
7,77
35,2
5,43
21,1
2,34
138
154
111
Тверская
0,2
0,04
0,0
0,00
0,2
0,04
200
0
200
Тульская
86,6
16,09
60,4
11,05
26,2
5,04
186
183
192
Ярославская
1,7
0,33
0,4
0,09
1,3
0,24
194
225
185
ИТОГО по ЦФО
887,0
149,03
510,3
92,66
376,7
56,37
182
138
150
83
Таблица 4
Распределение площади и запаса дубовых лесов Южного федерального округа по административнотерриториальным образованиям и формам хозяйства
Площадь покрытых лесной растительностью земель
Административнов том числе по формам хозяйства
территориальные
Из них дубовые леса
Всего,
образования
Высокоствольные
Низкоствольные
тыс. га
ЮФО РФ
тыс. га
%
тыс. га
%
тыс. га
%
238,3
64,6
27,1
38,9
60,2
25,7
39,8
Республика Дагестан
363,9
116,5
32,0
3,0
2,6
113,5
97,4
77,4
2,5
3,2
1,8
72,0
0,7
28,0
14,7
2,4
16,3
0,2
8,3
2,2
91,7
146,3
9,0
6,2
1,1
12,2
7,9
87,8
403,6
32,0
7,9
0,2
0,6
31,8
99,4
177,2
9,0
5,1
5,3
58,9
3,7
41,1
261,4
1366,9
85,3
95,0
381,3
220,7
3832,0
28,8
667,5
24,2
1,9
176,2
71,9
1206,6
11,0
48,8
28,3
2,0
46,2
32,6
31,5
10,1
270,0
3,6
0,4
5,9
24,8
365,3
35,1
40,4
14,9
21,1
3,3
34,5
30,3
18,7
397,5
20,6
1,5
170,3
47,1
841,3
64,9
59,6
85,1
78,9
96,7
65,5
69,7
Республика Ингушетия
Республика КалмыкияХальмг-Тангч
Кабардино-Балкарская
республика
Карачаево-Черкесская
республика
Республика Северная
Осетия-Алания
Чеченская республика
Краснодарский край
Ставропольский край
Астраханская область
Волгоградская область
Ростовская область
ИТОГО по ЮФО
83
Республика Адыгея
Таблица 5
Характеристика ресурсов древесины и потенциала дубовых лесов Южного федерального округа по административно-территориальным образованиям и формам хозяйства
Административнотерриториальные
образования
ЮФО РФ
62,74
39,40
11,51
0,30
0,12
40,0
0,01
8,3
0,11
91,7
23,45
1,26
5,4
0,11
8,7
1,15
91,3
88,30
4,68
5,3
0,02
0,4
4,66
99,6
30,35
0,76
2,5
0,39
14,2
0,37
85,8
39,51
362,94
9,49
6,99
28,24
14,01
717,23
2,74
126,11
3,11
0,16
14,05
4,86
178,82
6,9
34,7
32,8
2,3
49,8
34,7
24,9
0,93
58,80
0,33
0,04
0,43
1,68
70,47
33,9
46,6
10,6
25,0
3,1
34,6
39,4
1,81
67,31
2,78
0,12
13,62
3,18
108,35
66,1
53,4
89,4
75,0
96,9
65,4
60,6
84
Республика Адыгея
Республика Дагестан
Республика Ингушетия
Республика КалмыкияХальмг-Тангч
Кабардино-Балкарская республика
Карачаево-Черкесская республика
Республика Северная
Осетия-Алания
Чеченская республика
Краснодарский край
Ставропольский край
Астраханская область
Волгоградская область
Ростовская область
ИТОГО по ЮФО
Всего
лесов,
млн м3
Общий запас древесины
Из них в дубравах
В том числе по формам хозяйства
Высокоствольных
Низкоствольных
млн м3
%
3
млн м
%
млн м3
%
11,64
18,6
6,89
59,2
4,75
40,8
9,03
22,9
0,62
6,9
8,41
93,1
0,30
2,6
0,22
73,3
0,08
26,7
85
Таблица 6
Показатели, характеризующие площадь и запасы древесины в дубравах по административно-территориальным образованиям ЮФО и формам хозяйства
Показатели дубовых лесов
АдминистративноСредний запас
В том числе: по формам хозяйства
территориальные
Всего
древесины,
Высокоствольные
Низкоствольные
образования
м3/га
ЮФО РФ
Площадь, Запас, Площадь, Запас, Площадь, Запас,
Высоко- НизкоВсего
3
3
3
тыс. га
млн м
ствол.
ствол.
тыс. га
млн м
тыс. га
млн м
11,64
38,9
6,89
25,7
4,75
180
177
185
Республика Адыгея
64,6
Республика Дагестан
9,03
3,0
0,62
113,5
8,41
78
207
74
116,5
Республика
0,30
1,8
0,22
0,7
0,08
120
122
114
2,5
Ингушетия
Республика Калмыкия0,12
0,2
0,01
2,2
0,11
50
50
50
2,4
Хальмг-Тангч
Кабардино-Балкарская
1,26
1,1
0,11
7,9
1,15
140
100
146
9,0
республика
Карачаево-Черкесская
4,68
0,2
0,02
31,8
4,66
146
100
147
32,0
республика
Республика Северная
0,76
5,3
0,39
3,7
0,37
84
74
100
9,0
Осетия-Алания
Чеченская республика
2,74
10,1
0,93
18,7
1,81
95
92
97
28,8
Краснодарский край
126,11
270,0
58,80
397,5
67,31
189
218
169
667,5
Ставропольский край
3,11
3,6
0,33
20,6
2,78
129
92
135
24,2
Астраханская область
0,16
0,4
0,04
1,5
0,12
84
100
80
1,9
Волгоградская область
14,05
5,9
0,43
170,3
13,62
80
73
80
176,2
Ростовская область
4,86
24,8
1,68
47,1
3,18
68
68
68
71,9
ИТОГО по ЮФО
178,82
365,3
70,47
841,3
108,35
148
193
129
1206,6
86
Наихудшее соотношение сложилось в Карачаево-Черкесской республике
(0,4 и 99,6%), Волгоградской области (3,1 и 96,9%), в республиках Дагестан (6,9
и 93,1%) и Калмыкия (8,3 и 91,7%).
Из данных таблицы 6 также видно, что наибольший средний запас древесины имеют дубравы Краснодарского края (189 м3/га) и Адыгеи (180 м3/га), а
минимальный – в Калмыкии (50 м3/га) и Ростовской области (68 м3/га).
Кроме того, сопоставляя данные таблиц 3 и 6, необходимо особо отметить, что максимальная абсолютная величина среднего запаса всех дубрав
ЮФО (148 м3/га) на 19,3% меньше, чем в дубравах ЦФО (182 м3/га). Таким образом, ресурсный потенциал равнинных лесов, произрастающих в ЦФО, гораздо выше, чем в горных лесах ЮФО. Однако совокупная значимость экологических (средообразующих, водорегулирующих, почвозащитных и т.д.) функций
горных лесов выше, чем равнинных.
Выделение в ЦФО нагорных, пойменных и байрачных насаждений дуба
связано с их отличиями по ландшафтным и почвенно-грунтовым условиям,
особенностям роста и целевой направленности основных лесохозяйственных
мероприятий, особенно – лесовосстановительных.
Дубовые леса ЮФО представлены несколькими видами дуба, которые имеют
четкую приуроченность к определенным типам и разностям почв. Это дуб черешчатый (Quercus. robur L.), скальный (Q. petraea Liebl.), пушистый (Q. pubescens
Willd. ssp.pubescens Rrass.) с подвидом курчавым (Q. pubescens Willd/ ssp. crispata
(Stev.) Medw.), ножкоцветный (Q.pedunculiflora C. Koch.), Гартвиса (Q. hartwissiana
Stev.) и восточный (Q. macrantera Fisch. et Mey.). В лесных культурах широко распространен дуб красный (Q. borealis L). Однако доминируют и по площади, и по запасу древесины первые три, но в материалах государственного учета лесного фонда
[4] приводятся обобщенные данные по дубравам в целом без деления на виды дуба.
Производительность дубовых насаждений колеблется в широких пределах, от Iа класса бонитета до внебонитетных (Vб класс бонитета и ниже). Многовидовую структуру дубрав региона следует рассматривать как «тонкость»,
т.е. четкость реагирования древесной растительности на многообразие лесорастительных условий на базе флористического богатства.
Библиографический список
1. Лесное хозяйство. Словарь терминов в лесном хозяйстве [Текст] /под
общ. ред. В. Н. Филипчука. –М.: ВНИИЛМ, 2002. –480 с.
2. Санитарные правила в лесах Российской Федерации [Текст] /Утв. приказом Федеральной службы лесного хозяйства от 15.01.98 г. №10. –М.: ВНИИЦлесресурс, 1998. –9 с.
3. Алексеев, А. С. и др. Устойчивое управление лесным хозяйством: научные основы и концепции [Текст]: учебное пособие / А. С. Алексеев, С. Келломяки, А. В. Любимов и др. –СПб: ГЛТА, 1998. –222 с.
4. Лесной фонд России (по данным государственного учета лесного фонда по состоянию на 1 января 2003 г.) [Текст]: Справочник. –М.: ВНИИЛМ,
2003. –640 с.
87
РАЗДЕЛ III ЛЕСОЭКСПЛУАТАЦИЯ
УДК 630*383.4
РАСЧЕТ УСИЛИЙ В КОНСТРУКТИВНЫХ ЭЛЕМЕНТАХ
СБОРНЫХ ДОРОЖНЫХ ПОКРЫТИЙ С УЧЕТОМ
МНОГООСЕВОЙ ВНЕШНЕЙ НАГРУЗКИ
Д.Н. Афоничев
Воронежская государственная лесотехническая академия
Статья посвящена расчету усилий в конструктивных элементах сборных дорожных
покрытий. Представлены зависимости для определения усилий от действия внешней многоосевой подвижной нагрузки и результаты реализации модели нагружения на ЭВМ.
Анализ конструкций сборных дорожных покрытий позволил установить, что они
представляют собой сооружения на упругом полупространстве [1–9], поэтому предложено расчет усилий в элементах покрытия производить следующим образом [1, 4, 9]: в
продольном направлении из колесопровода выделяются три плиты, для которых определяется расположение колесных нагрузок, после чего по методу И.А. Симвулиди рассчитываются усилия в шарнирах, далее расчет ведется по методу Б.Н. Жемочкина [4]
для широкой балки на упругом полупространстве. В поперечном направлении плиты
изгибающие моменты могут быть определены по методу М.И. Горбунова-Посадова [4]
как для полос, работающих в условиях плоской деформации. Установлена общая форма
матрицы, определяющей усилия Xi в основании под расчетной плитой и выведены зависимости для определения элементов данной матрицы:
⎛ δ 11 δ 12
⎜
⎜ δ 21 δ 22
⎜K K
⎜
⎜ δ i1 δ i 2
⎜K K
⎜
⎜δU1 δU 2
⎜
⎜ c
c2
⎜ 1
⎜
⎜ 1
1
⎜
⎝
K δ1 j
K δ2 j
K δ 1U
K δ 2U
K K
K δ ij
K K
K δ iU
K
K
K
K
K
cj
K
cU
K
1
K
1
K δ Uj
K δ UU
Δ1 p
Δ2 p
⎞
⎟
⎟
⎟
K K
K
⎟,
Δip
ci 1
⎟
⎟
K K
K
⎟
⎟
ΔUp
cU 1
⎟
n
2
L
+ ∑ Pγ xγ ⎟
0 0 P0
⎟
2 γ =1
⎟
n
0 0
P0 L + ∑ Pγ ⎟
⎟
γ =1
⎠
c1
c2
1
1
(1)
где δ ij – коэффициенты при неизвестных – усилиях X i в основании под расчетной плитой,
характеризующие осадку плиты и основания под ней; ci – координата точки приложения усилия X i , м; U – количество интервалов, на которые разбивается расчетная плита; Δip – показатель, характеризующий действие внешней нагрузки; P0 – собственный вес плиты, распределенный по ее длине L , Н/м; Pγ , xγ – соответственно величина (Н) и координата положения (м)
внешней нагрузки; n – количество внешних усилий, приложенных к расчетной плите.
©
Афоничев Д.Н., 2007
88
δ ij
(1 − μ ) F
=
2
0
π cK 0 E0
L
1 ⎛ ci3 ci2 ⎞
⎜ + z ⎟ ; z = c j − ci ; c = ,
ij +
U
EJ ⎝ 3 2 ⎠
(2)
где μ 0 – коэффициент Пуассона материала основания; Е , Е0 – соответственно
модули упругости материалов плиты и основания, Па; K 0 – коэффициент перехода к модулю упругости материала основания под плитой; Fij – функция, характеризующая условия осадки основания; J – момент инерции поперечного
сечения плиты, м4.
⎞ a 2 a3 ⎞⎤
1 ⎪⎧ n ⎡ ⎛ ⎛ e−1
Δ ip =
⎨ ∑ ⎢ Pe ⎜ ⎜ ∑ ai − a ⎟ + ⎟⎟ ⎥ + P0 ×
3 ⎠ ⎦⎥
EJ ⎪e= j +1 ⎣⎢ ⎝⎜ ⎝ i = j
⎠ 2
⎩
j −1
⎛ a4
⎛ L − ci 2 a 3 ⎞ ⎞ j −1 ⎡ n ⎡ ⎛
⎞ e−1
a + ⎟ ⎟ + ∑ ⎢ ∑ ⎢ Pe ⎜ a + ∑ ai ⎟ ak ∑ ai +
× ⎜ + ( L − ci ) ⋅ ⎜
3 ⎠ ⎠ k =1 ⎣⎢ e=k +1 ⎣ ⎝
i = k +1
⎠ i =k +1
⎝ 8
⎝ 4
j −1
j −1
k
⎛ ak4 ⎛
⎞ ak3 ⎛
⎛ e−1
⎞ ak2 ak3 ⎤
⎞
(3)
+ ⎜ ∑ ai + ∑ ai + a ⎟ + ⎥ + P0 ⎜ + ⎜ a + ∑ ai ⎟ + ⎜ L − ∑ ai ⎟ ×
3⎦
i = k +1
i = k +1
i =1
⎠
⎠6 ⎝
⎝ i =k +1
⎠ 2
⎝ 8 ⎝
k
k
⎛
⎞
⎛
⎞ ⎞⎤ ⎫
−
−
L
a
L
a
⎪
∑
∑
i
i
j −1
k
⎜
⎞ ⎛
ak3 ⎟ ⎛
ak2 ⎟ ⎟ ⎥⎥ ⎪
⎞ ⎜
2
i =1
i =1
×⎜
ak + ⎟ + ⎜ a + ∑ ai ⎟ ⋅ ⎜ L − ∑ ai ⎟ ⋅ ⎜
ak + ⎟ ⎟ ⎬ ;
4
3
2
2 ⎟ ⎟⎥ ⎪
⎜
⎟ ⎝
i = k +1
i =1
⎠ ⎜
⎠ ⎝
⎜
⎟
⎜
⎟ ⎟⎥ ⎪
⎝
⎠
⎝
⎠ ⎠⎦ ⎭
a = ci − x j ,
где ai – расстояние между i-ой и (i+1)-ой внешними нагрузками, м; j – номер
внешней силы Pj после, которой приложена сила X i .
Расчет усилий, действующих в конструктивных элементах двухслойных сборных покрытий, представляет собой многоэтапную задачу, при решении которой на
каждом этапе реализуется разработанный метод имитационного моделирования нагружения сборных дорожных покрытий многоосевой подвижной нагрузкой.
Имитационное моделирование нагружения дорожных плит нагрузкой от колес автопоезда КрАЗ-6437+ГКБ-9362 позволило установить, что требуемая толщина основания зависит от длины и ширины плиты, а так же способа соединения плит
между собой. Увеличение длины и ширины плиты приводит к снижению толщины
основания. Толщина основания может быть не чувствительна к изменению толщины плиты, или незначительно увеличиваться или уменьшаться с увеличением толщины плиты при определенных значениях длины и ширины. Такая сложная закономерность изменения во многом обусловлена влиянием гибкости и массы плиты.
Изменения толщины основания при фиксированных плановых размерах плиты не
велики и составляют не более 2 см, что не может играть существенной роли.
Закономерность изменения экстремальных изгибающих моментов в продольном направлении имеет сложный скачкообразный характер и обуславливается
дискретностью процесса нагружения расчетной плиты, которая появляется в виду
целого количества колес, размещающихся на расчетной плите и смежных с ней.
89
Рис. 1 Диаграммы распределения требуемой толщины основания (а) и
максимального давления на основание (б) под плитами шириной 1 м от нагрузки,
создаваемой автопоездом КрАЗ-6437+ГКБ-9362
90
Рис. 2 Диаграммы распределения требуемой толщины основания (а) и
максимального давления на основание (б) под плитами шириной 1,57 м от
нагрузки, создаваемой автопоездом КрАЗ-6437+ГКБ-9362
91
Рис. 3 Диаграммы распределения экстремальных моментов в плитах шириной
1,74 м от нагрузки, создаваемой автопоездом КрАЗ-6437+ГКБ-9362
а – положительный момент; б – отрицательный момент
Отрицательный экстремальный момент изменяется незначительно и увеличивается пропорционально длине и толщине плиты. Значения отрицательного
момента колеблются в пределах от 5 до 8 кН ⋅ м. Положительный экстремальный
92
момент сложно изменяется, как по длине, так и по толщине плит, причем, с увеличением длины наблюдается стабильная обратная зависимость от толщины.
Наименьшие по абсолютной величине положительные экстремальные моменты
относятся к плитам длины, которых близки к 3,0 и 4,5 м (см. рисунки 1, 2 и 3).
Увеличение ширины плиты приводит к существенным снижениям продольных изгибающих моментов в них, но при этом возрастают поперечные моменты.
Существенным фактором, обуславливающим данные изменения, является гибкость плиты. Она оказывает существенное влияние на величину продольного положительного момента, возрастание которого отмечается для наиболее тонких
плит, в плитах шарнирно-сочлененных конструкций колесопроводов, так как она
обуславливает направления реактивных усилий на торцах расчетной плиты.
По результатам испытания конструкций плит на опытных участках установлено, что увеличение их ширины до 1,74 м против 1 м повышает потенциальную работоспособность в 2 раза.
Библиографический список
1. Афоничев, Д. Н. Развитие теории расчета и разработка системы автоматизированного проектирования сборных покрытий автомобльных дорог лесного комплекса [Текст] / Д. Н. Афоничев; ВГЛТА. – Воронеж, 2003. – 289 с. –
Деп. в ВИНИТИ 14.10.2003, № 1805–В2003.
2. Афоничев, Д. Н. Воздействие автотранспортных средств на плиты сборных покрытий автомобильных дорог [Текст] / Д. Н. Афоничев, В. А. Морковин, Ф. А. Кириллов; ВГЛТА. – Воронеж, 2003. – 52 с. – Деп. в ВИНИТИ 28.03.2003, № 558–В2003.
3. Курьянов, В. К. Направления и методы повышения надежности и качества
дорожных одежд для технологических путей лесовозного автомобильного транспорта на стадии проектирования [Текст] / В. К. Курьянов, Д. Н. Афоничев// Технологии, машины и производство лесного комплекса будущего: Матер. междунар.
научно-практич. конф./ ВГЛТА. – Воронеж, 2004. – Ч. 2. – С. 64–72.
4. Курьянов, В. К. Совершенствование проектных решений сборных покрытий автомобильных дорог в системе автоматизированного проектирования
[Текст] / В. К. Курьянов, Д. Н. Афоничев. – Воронеж: ВГЛТА, 2000. – 180 с.
5. Савельев, В. В. Совершенствование конструкций железобетонных плит из
мелкозернистых бетонов для колейных покрытий лесовозных автомобильных дорог
[Текст]: автореф. дис. … канд. техн. наук: 05.21.01/ В. В. Савельев, 1997. – 20 с.
6. Коновалов, С. В. Практическая методика расчета жестких дорожных
покрытий с учетом повторности воздействия нагрузок [Текст]/ С. В. Коновалов,
М. С. Коганзон. – М.: Высш. школа, 1970. – 219 с.
7. Пушкаренко, Н. Н. Совершенствование конструкций сборных покрытий
лесовозных автодорог из плит мелкозернистого бетона [Текст]: автореф. дис. …
канд. техн. наук: 05.21.01 / Н. Н. Пушкаренко. – Йошкар-Ола, 2002.– 20 с.
8. Concrete pavements [Текст] / Edited by A.F. Stock. – London: Elsevler
appl. Seience, 1988. – 433 p.
9. Курьянов, В. К. Обоснование конструктивных параметров сборных покрытий лесовозных автомобильных дорог [Текст] / В. К. Курьянов, Д. Н. Афоничев // Изв. вузов Лесной журнал. 2004. № 5 – С. 62–68.
93
УДК 630*36
ОСОБЕННОСТИ ЭКСПЛУАТАЦИИ И ПУТИ ПОВЫШЕНИЯ
РАБОТОСПОСОБНОСТИ ЛЕСОЗАГОТОВИТЕЛЬНЫХ
МАШИН
Г.А. Пилюшина, Б.Н. Прусс
Брянская государственная инженерно-технологическая академия
Проведен анализ условий эксплуатации и выявлены основные причины отказов лесозаготовительных машин манипуляторного типа. Предложены пути повышения работоспособности лесозаготовительных машин за счет обеспечения заданного уровня герметичности
гидравлических систем.
Важная роль в лесном комплексе России принадлежит лесозаготовительному производству развитие, которого невозможно без создания высокоэффективной техники, оснащенной гидроманипуляторами, обеспечивающей высокую производительность и надежность, снижение материалоемкости, энергозатрат, уменьшающей вредное воздействие на окружающую среду.
Опыт создания надежных и долговечных машин показывает, что безотказность и работоспособность лесозаготовительной техники и оборудования обуславливаются как конструкторско-технологическими, так и производственноэксплуатационными факторами. Без анализа ряда факторов, таких как природноклиматические условия, действующие нагрузки, температурные и почвенногрунтовые условия работы, загрязнения, воздействие активных сред, невозможно
производить работоспособную и качественную лесозаготовительную технику.
Особенность эксплуатации лесозаготовительных машин заключается в
использовании их в течение всего года с двумя сезонными перерывами в жестких климатических условиях. При этом максимальная нагрузка 60-70% работы
лесозаготовительных машин приходится на зимний период с отрицательными
температурами до – 40º С и ниже. В зимнее время, от трех до четырех месяцев,
машины работают в снегу, глубина которого достигает 1000 мм. В весеннелетний период машины работают в условиях большой захламленности и увлажненности, глубина жидкой грязи может достигать 0,5 м. В предзимний период движение лесозаготовительных машин происходит по замерзшему твердому грунту, что увеличивает коэффициент динамичности в 1,5- 2 раза.
Циклическая работа сопряжена с большим количеством переходных процессов. Контакт с деревом при валке, пакетировании, обрезке сучьев, движении с пачкой
и без нее вызывают большие динамические нагрузки на все системы лесозаготовительных машин. Кроме того, на динамическую нагруженность технологического
оборудования лесозаготовительной машины существенно влияют: пересеченный
рельеф местности, пни, выступающая над поверхностью корневая система деревьев,
физико-механические свойства грунта, ветровая нагрузка.
©
Пилюшина Г.А., Прусс Б.Н., 2007
94
Немаловажное влияние на причину выхода из строя лесозаготовительной
техники оказывают обрабатываемые деревья. Непосредственный контакт и окружение ветвями, подростом, стволами растущих и пнями поваленных деревьев
вызывают многочисленные повреждения, и требует специальной защиты всех
элементов машины особенно гидрооборудования. Кроме того, породный состав
и таксационные характеристики лесосеки различаются большим диапазоном (
10 и более) весовых и геометрических характеристик, встречается определенное число «нерасчетных деревьев и сучьев», контакт с которыми обычно приводит к аварии.
Кроме того, техническое обслуживание лесозаготовительных машин сопряжено с определенными трудностями из-за суровых климатических условий,
отдаленности от ремонтной базы, недостаточности средств технического обслуживания и не всегда достаточной подготовленности обслуживающего персонала.
Опыт эксплуатации лесозаготовительной техники и оборудования показывает, что все повреждения и отказы лесозаготовительных машин можно разделить на отказы металлоконструкции и отказы гидросистемы. При этом отказы металлоконструкции лесозаготовительных машин, как правило, подразделяются на четыре вида: остаточная деформация, вязкий излом, усталостный излом и хрупкий излом.
Отыскание причин возникновения повреждений по причине остаточной
деформации, обычно не вызывает особого труда. Остаточная деформация приводит к изменению геометрической формы детали или узла и сопровождается
удлинением, изгибом, вмятиной и т.д. Количество таких повреждений особенно
велико при работе лесозаготовительных машин в захламленной и неподготовленной лесосеке. Чаще повреждаются нижние части транспортной машины
(колесной или гусеничной) от воздействия пней, валежника, камней и элементы
кабины, капота, ограждения.
Основной причиной отказа при вязком изломе чаще всего являются перегрузки вследствие резкого нарушения производственной эксплуатации лесозаготовительного оборудования. При вязком изломе отказ происходит внезапно
из-за потери прочности. Разрушение при этом сопровождается значительной
макропластической деформацией. При этом поверхность излома не имеет характерного кристаллического блеска (матовая). На площадке разрушения имеются скосы, строчечные неровности, волокнистость.
При усталостном изломе отказ происходит постепенно в связи с длительным воздействием многократно повторяющихся нагрузок, сопровождающимся
образованием трещины. Поверхность излома имеет характерные зоны постепенного развития трещины, ускоренного развития излома и зону долома. Причинами отказа являются пониженная прочность материала, длительное действие знакопеременной нагрузки, наличие концентраторов напряжений (надрезы,
неметаллические включения, макротрещины).
Отказ по причине хрупкого излома происходит внезапно при незначительной макропластической деформации. Поверхность излома перпендикулярна направлению максимальных растягивающих напряжений и имеет кристал-
95
лическое строение часто с рубцами, лучеобразно расходящимися из зоны начала разрушения. Причинами таких отказов являются хладоломкость стали, дефекты термической обработки, наличие значительных ударных нагрузок, низкое качество материала (повышенное содержание фосфора, водорода). При
этом вероятность безотказной работы будет определяться сопротивлением металла хрупкому разрушению, скоростью его изменения в зависимости от окружающей среды.
Для гидропривода, как и других систем, отказы являются хотя и естественными, но весьма не желательными событиями, так как предупреждение и
устранение их в условиях эксплуатации техники обычно связано с определёнными сложностями. Более половины всех отказов лесозаготовительных машин
приходится именно на гидравлическую систему. Поток отказов гидросистемы
формируется отказами рукавов высокого давления, отказами уплотнительных
резинотехнических изделий, загрязнением рабочей жидкости, нарушением герметичности соединений, повышенным износом сопряженных подвижных элементов.
Это связано, прежде всего, с тем, что гидропривод технологического оборудования лесозаготовительных машин, содержащий гидролинии протяженностью до 10 м, подвержен воздействию факторов жесткого климата. Отрицательная температура (ниже – 40°С) и ветровой обдув обусловливает нарушение
смазывающей способности масла, уменьшает упругость резиновых уплотнений,
и вызывает кавитацию вследствие большого разрежения на всасывании в насос.
Особенно опасно повышение температуры внутри гидросистемы (выше
50-70°С), из-за деформации металлических трубопроводов, что приводит к
дросселированию рабочей жидкости, к недопустимому снижению вязкости
масла, нарушению условий смазки, потере упругости уплотнений вследствие
старения, увеличению утечек через зазоры. Последнее повышает выделение тепла в гидросистеме вследствие дросселирования масла в зазорах, что дополнительно снижает объемный КПД гидросистемы и из-за увеличения упругости
насыщенных паров приводит к кавитации.
Основные неисправности гидроприводов возникают из-за нарушения
герметичности в местах соединений, разрушения резиновых уплотнительных
колец, разрыва рукавов. На металлических трубопроводах вследствие вибрации
и других видов нагрузок появляются трещины. А при механических повреждениях вмятины и перегибы, что нарушает работу гидросистемы. Нарушение
герметичности во всасывающих гидромагистралях приводит к обильному пенообразованию из-за подсоса воздуха. Нарушение плотности в гидромагистралях высокого давления ведет к подтеканию, а при разрывах - к выходу гидросистемы из строя и большим потерям дорогостоящей рабочей жидкости.
Анализ отказов гидравлических систем лесозаготовительных машин позволил выявить причины потери работоспособности отдельных узлов, например, в аксиально-поршневых насосах и гидродвигателях отказ наступает в результате износа сферической поверхности и искривления шатунов, износа торцевых поверхностей, поршневых отверстий и посадочных мест в блоке, износа
шеек валов, центрального шипа, шлицевых и посадочных мест, износа порш-
96
ней; в шестеренных насосах – в результате износа внутренней поверхности и
посадочных мест корпуса и крышек, износа втулок; в лопастных насосах – в результате износа торцевой поверхности статоров и дисков, износа лопастей,
цапф, торцов и пазов в роторах. К наиболее изнашиваемым местам в гидроцилиндрах относятся: внутренняя и торцевая поверхность корпуса цилиндров,
торцы и посадочные поверхности крышек, посадочная поверхность направляющих втулок, наружная поверхность плунжеров и поршней, резьбовые соединения и уплотнения.
Повышенный износ подвижных сопряженных элементов гидроприводов в
зимнее время зачастую происходит из-за наличия конденсата в системе, в связи, с чем уплотнения гидроцилиндров примерзают к стенкам, поэтому при движении поршня гидроцилиндра возникают большие силы трения.
Опыт эксплуатации гидравлических систем лесозаготовительных машин
свидетельствует о том, что около 30% всех отказов связано с нарушением работоспособности прецизионных пар, выполняющих функции регуляторов, распределителей, вытеснительных и соединительных элементов. Практически на
деталях каждой прецизионной пары гидравлических агрегатов, нормально отработавших гарантийный ресурс, при исследованиях технического состояния
выявляются различные повреждения рабочих поверхностей, проявляющихся
чаще всего в виде царапин.
Помимо указанных видов повреждений в гидроприводах лесозаготовительных машин значительную долю составляют отказы, вызванные загрязненностью рабочей жидкости механическими примесями в процессе производства
и монтажа привода, а также при заправке. Наличие твердых частиц в жидкости
приводит к износу трущихся пар и, как следствие, к ухудшению характеристик
гидропривода, а попадание крупных твердых частиц между клапаном и седлом
- к потере герметичности клапана. Кроме того, при работе привода в жидкость
непрерывно поступают продукты изнашивания сопрягаемых деталей. При хранении загрязняющие вещества выделяются в результате окислительных процессов между жидкостями и присадками, применяемыми для улучшения эксплуатационных свойств рабочей жидкости. При загрязнении рабочей жидкости
наблюдается интенсивное изнашивание распределительных устройств насосов,
в результате чего снижается объемный КПД. При движении жидкости с большой скоростью загрязнения в виде твердых частиц действуют на поверхности
деталей подобно абразивной эмульсии. С течением времени увеличиваются зазоры, уменьшаются перекрытия, изменяются коэффициенты расходов дросселей и сопл. При увеличении утечек жидкости из-за изнашивания элементов
привода уменьшаются жесткость системы и скорость движения исполнительных органов.
Таким образом, неравномерность изнашивания отдельных деталей и является главной причиной отказов лесозаготовительных машин в работе. Неравномерность изнашивания составляющих элементов присуща всей современной
технике. Это связано с тем, что достигнутый уровень науки и производства не
позволяет пока решить задачу создания равнопрочной конструкции, как по техническим, так и по экономическим причинам. Кроме того, широкое разнообра-
97
зие условий эксплуатации приводит к тому, что одни и те же элементы однотипных машин работают при значительно различных режимах и условиях, а,
следовательно, имеют и различную интенсивность изнашивания. В этой связи,
при все возрастающем значении сложных и дорогостоящих систем, особенно в
машиностроении, требования безопасности, работоспособности и экономичности делают все более необходимой оценку текущего состояния той или иной
системы и необходимость периодического восстановления их работоспособности путем технического обслуживания и ремонта в эксплуатации.
Для гидропривода в целом, в качестве критериев предельного его состояния по износу, наиболее часто используют внутреннюю герметичность агрегатов, которую косвенно оценивают такими комплексными показателями, как
время выполнения рабочих операций, максимально развиваемые усилия или
момент на выходном валу, то есть показателями, оценивающими работу участка гидропитания и выходной функциональный параметр.
При этом, если внутренняя герметичность гидромашин обеспечивается
бесконтактными уплотнениями, то их наружная (внешняя) герметичность обеспечивается различного вида контактными уплотнениями. Герметичность и износ контактных уплотнений зависит от многочисленных случайных факторов
— режима работы, свойств рабочей жидкости, ее загрязненности и др. Поэтому
для повышения работоспособности лесозаготовительных машин одним из возможных направлений является обеспечение заданной степени герметичности
гидравлических систем в определённых условиях эксплуатации.
В настоящее время существуют в основном два направления в решении
проблемы по обеспечению заданной степени герметичности. Первое направление характеризуется дифференцированным изучением влияния отдельных факторов, условий и параметров на герметичность соединений, причём часть из них
иногда не учитывается вообще. Данное направление не ставит своей целью нормирование точности параметров с учётом их конструкторско-технологической
взаимосвязи, поэтому имеет узкую направленность. Второе направление связано
с изучением физической сущности процесса герметизации, с установлением научно-обоснованных норм герметичности. Это приведет к нормированию показателей обеспечения заданного уровня герметичности в конструкторской и технологической документации. Развитие этого вопроса позволит решить задачу
управления процессом герметизации на основе учета взаимосвязи отдельных
факторов, условий и параметров при изготовлении, сборке и повторной сборке
(ремонте) гидропривода лесозаготовительной машин.
Таким образом, бурно развивающиеся техника и технологии ставят всё более сложные задачи обеспечения работоспособности лесозаготовительных машин, которая во многом обусловливается требуемым уровнем герметичности и
надёжности уплотнительных устройств. Поэтому создание новых, более точных и технологичных методов достижения и оценки герметичности, а также
прогнозирования долговечности уплотнительных устройств является актуальной задачей современной науки и техники.
98
РАЗДЕЛ IV ДЕРЕВООБРАБОТКА
УДК 674.093.6 – 413.82
АНАЛИЗ ФАКТОРОВ И ОБОСНОВАНИЕ ВЫБОРА
КРИТЕРИЕВ, ОПРЕДЕЛЯЮЩИХ ТОЧНОСТЬ ПИЛЕНИЯ
ПОЛОСОВЫМИ ПИЛАМИ
А.И. Максименков, Р.Н. Анпилогов
Воронежская государственная лесотехническая академия
Определены факторы и обоснованы критерии определяющие точность распиловки
лесоматериалов на лесопильных рамах и ленточнопильном оборудовании. Предложены направления теоретических исследований, позволяющих обеспечить повышение качественных
характеристик получаемой пилопродукции.
Задача использования древесного сырья связана с его рациональной переработкой. В настоящее время в лесопилении применяют круглопильные
станки, лесопильные рамы и ленточнопильные станки. Основная часть пиломатериалов в современной лесопильно-деревообрабатывающей промышленности
обрабатывается на лесопильных рамах, но растет заинтересованность в использовании ленточнопильного оборудования, более перспективного с точки зрения
производительности, эффективности и требований к качеству поверхности пиломатериалов, чем рамные пилы.
В последние годы на лесохозяйственных предприятиях (лесхозах) созданы участки и цеха по переработке низкокачественной древесины использующие достаточно крупные и дорогостоящие ленточнопильные станки различных
зарубежных фирм и отечественного производства. Первые из них малодоступны для лесхозов по причине их низкой покупательной способности, а станки
отечественного производства не эффективны, так как они предназначены для
больших объемов переработки и как следствие, имеют высокую энергоемкость
технологического процесса пиления древесины, что увеличивает себестоимость
выпускаемой пилопродукции [8].
Производительность лесопильных рам как головного лесопильного оборудования определяет производительность лесопильного потока, а также всего
лесопильного цеха. Поэтому ее увеличение является важной задачей. Одним из
основных ограничений производительности лесопильных рам и ленточнопильных станков является точность пиления. Точность пиления характеризуется отклонениями толщины выпиливаемых материалов от средних толщин, определяемых точностью настройки лесопильной рамы на заданную величину.
Анализ проведенных работ Грубе А.Э., Хасдана СМ., Прокофьева Г.Ф., Феоктистова А.Е., Дерягина Р.В., Настенко А.А., Веселкова В.И., A.M. Кузнецова,
А.В. Брюквина, П.И.Лапина и других показывает, что качество пиления зависит
©
Максименков А.И., Анпилогов Р.Н., 2007
99
от боковых сил, на величину которых оказывает влияние точность подготовки,
установки, движения пил и точность базирования распиливаемого материала;
от сил резания, на величину которых оказывает влияние скорость подачи, высота и ширина пропила, затупление зубьев, их угловые и линейные параметры;
от жесткости и устойчивости и пил, на величину которых оказывают влияние
размеры пил, сила натяжения, эксцентриситет линии натяжения, степень вальцевания и другие. Установлено, что собственная жесткость пилы зависит от
размеров поперечного сечения, свободной длины и начального напряженного
состояния пилы [2,3,4]. При изготовлении пил на их начальное напряженное
состояние оказывает влияние прокатка, термообработка, насечка зубьев, приклепка планок и вальцевание полотна пилы.
По данным А.Э. Грубее, начальная жесткость полотна пилы от вальцевания увеличивается в среднем на 20-30% [4], по данным Г.Ф. Прокофьева на 2223% [7], по данным В.И. Веселкова на 24% [3] при одинаковой силе натяжения,
ширине и длине полотна.
Рамные пилы при работе недостаточно устойчивы, поэтому на предприятиях для повышения точности пиления идут на натяжение пил выше нормы,
что приводит к поломке пил и поперечин пильных рамок, и на увеличение толщины пил, что приводит к повышенному расходу древесины и увеличивает
энергопотребление. Правильность установки рамных пил в лесопильную раму
оказывает большое влияние на ее производительность и качество пиломатериалов. Пила в лесопильной раме совершает возвратно-поступательное движение.
Скорость перемещения пилы переменная, скорость подачи распиливаемого материала задается равномерной и непрерывной. В результате в конце рабочего и
начале холостого ходов на пилы действуют большие силы, снижающие точность пиления и долговечность пил. Основными недостатками современных
лесопильных рам являются большая сила инерции, значительная ширина пропила, неравномерность подачи на зуб при рабочем ходе пил, малые скорости
пропила, большие габаритные размеры станка и металлоемкость [7]. Вследствие больших инерционных усилий при возвратно-поступательном движении
пил лесорамы имеют сравнительно низкую скорость резания (6,0-8,4 м/с), следовательно, имеют низкую производительность.
Ленточное лесопиление имеет следующие преимущества: большую скорость резания (скорость движения пилы), находящуюся в пределах 30… 50 м/с,
что позволяет обеспечить высокое качество пиломатериалов по шероховатости
их поверхности при высоких скоростях подачи; повышение производительности труда в 1,5-2 раза за счет механизации и автоматизации технологических
операций [7, 8]. Не требуется сортировки сырья перед распиловкой по размерам
и качеству; уменьшается расход мощности на резание древесины; посравнению с лесопильными рамами отсутствуют большие силы инерции, что
исключает необходимость применения массивных фундаментов, снижает стоимость и повышает долговечность зданий лесопильных цехов. Одним из важнейших преимуществ ленточнопильных станков является малая ширина пропила, которая в 1,5-2 раза меньше, чем лесорам; малая толщина пилы обеспечива-
100
ет малый расход древесины в опилки и высокий объемный выход пиломатериалов [7].
Как известно, основным недостатком ленточнопильных станков является
получение материалов со значительными отклонениями от геометрической
формы и размеров за счет блуждания ленточной пилы вследствие невысокой
поперечной жесткости полотна пильных лент [8]. Кроме этого, ленточнопильные станки имеют низкую точность пиления при больших скоростях подачи,
малую надежность ленточных пил, большие габариты и металлоемкость. Поэтому одним из основных направлений увеличения показателей точности пиления является повышение жесткости и устойчивости рамных и ленточных
пил.
Точность толщины пиломатериалов является одним из главных показателей их качества. Основными факторами, влияющими на показатели точности
пиления, является жесткость системы в целом и жесткость и устойчивость полосовых пил. Жесткость оборудования в целом складывается из жесткости
станка и жесткости рабочего элемента – пилы. Жесткость пилы характеризуется
ее прогибом под действием боковой силы, устойчивость – способностью пилы
сохранять плоскую форму изгиба полотна под действием приложенных к ней
нагрузок. Увеличение жесткости и устойчивости пил – одно из главных направлений совершенствования показателей качества пиления.
Различают три вида жесткости пилы: собственная жесткость jc –
жесткость пилы, не растянутой внешними силами; начальная жесткость jн жесткость растянутой пилы при отсутствии сил резания; рабочая жесткость jp жесткость пилы в работе при воздействии на нее сил резания. Собственная жесткость пилы зависит от ее начального напряженного состояния, свободной
длины и размеров поперечного сечения; начальная жесткость определяется силами натяжения пилы, рабочая жесткость зависит от сил, действующих на пилу
в процессе пиления. Поэтому основными способами повышения жесткости пил
являются следующие:
-натяжение пилы продольной растягивающей силой;
-повышение собственной жесткости путем создания оптимального начального напряженного состояния;
-уменьшение свободной длины пилы.
Устойчивость рамных и ленточных пил связана с различными факторами.
Различают статическую и динамическую устойчивость. Технологические расчеты точности пиления обычно производятся посредством расчетов статической устойчивости. Для рамных пил основными факторами, влияющими на устойчивость, являются внутреннее напряженное состояние пилы, сила натяжения и эксцентриситет линии ее приложения. Установка рамных пил с оптимальным эксцентриситетом позволяет повысить их устойчивость до 30% [8]. В
работах [1,3] рекомендуется оптимальный эксцентриситет линии натяжения
рамных пил, равный 0,1; в работе [2] – 0,25-0,3. В работе [5] не рекомендуется
принимать величину эксцентриситета более 0,2.
Устойчивость ленточных пил зависит в первую очередь от их внутреннего напряженного состояния и свободной длины пилы. В работе [6] показано,
101
что эксцентриситет линии приложения растягивающих сил позволяет повысить
устойчивость ленточных пил на 7%, рекомендуемый эксцентриситет составляет
0,15 (аналогом эксцентриситета является коническая вальцовка полотна, форма
шкивов). В работе [9] проведены исследования, показывающие, что увеличение
критической силы составляет 7,1% для пил шириной 175 мм, 13,8% и 13,5% для
полотен пил шириной 150 и 100 мм (при одинаковой толщине 1,0 мм) при
вальцевании полотен по оптимальному режиму (до потери плоской формы равновесия). В этой же работе говорится, что повышение жесткости при этом составляет 20-24%.
В процессе пиления на ленточную пилу действуют силы, стремящиеся
сместить ее со шкивов [8]. Для предотвращения сползания пилы со шкивов в
полотне пилы создают начальные напряжения, а шкивы наклоняют навстречу
направлению подачи распиливаемого материала. Величина внутренних напряжений должна соответствовать профилю и углу наклона шкивов. За счет этого
меняется поведение пилы под нагрузкой, что отражается на ее устойчивости на
шкивах и способности осуществлять процесс резания. Непрямолинейность
зубьев и задней кромки существенно влияет на устойчивость и прочность ленточной пилы, недопустима общая вогнутость задней кромки (которая обусловлена внутренним напряженным состоянием полотна) из условия устойчивости
пилы на шкивах.
Исследованием внутренних напряжений в полотнах рамных и ленточных
пил занимались Р.В. Дерягин, В.И. Веселков, А.В. Брюквин, А.Е.Феоктистов,
А.А. Настенко, Е.Вюстер и другие. Существуют различные рекомендации по
увеличению жесткости полосовых пил методом вальцевания; по характеру распределения внутренних напряжений. Следовательно, необходимо проведение
теоретические исследования оптимального с точки зрения показателей точности пиления внутреннего напряженного состояния полотна пилы, с учетом
влияния эксцентриситета следа вальцевания на жесткость и устойчивость полотен ленточных и рамных пил.
Библиографический список
1. Борнчев, Е. В. О влиянии точности выверки лесопильной рамы на качество выпиливаемых пиломатериалов [Текст] / Е. В. Борнчев // Науч. тр. /
ЦНИИМОД. – Архангельск, 1982. – С. 153 – 156.
2. Вараксин, Ф. Д. Основные направления технического прогресса лесной
и деревообрабатывающей промышленности [Текст] / Ф. Д. Вараксин, Г. К.
Ступнев.– М.: Лесн. пром – сть, 1974.– 400 с.
3. Веселков, В. И. Экспериментальные исследования напряженного состояния ленточных пил на участке, осуществляющем резание / В. И. Веселков,
Ю. И. Юрьев // Труды АЛТИ: Сб. науч. тр. / АЛТИ.– Архангельск, 1970. Вып.
23.– С. 58 – 61.
4. Грубе, А. Э. Дереворежущие инструменты [Текст] / А. Э. Грубе.– М.:
Лесн. пром – сть, 1971.– 344 с.
102
5. Дерягин, Р. В. Вибрация лесопильных рам [Текст] / Р. В. Дерягин.– Л.:
Изд-во ЛГУ, 1986.–143с.
6. Дружков, Г. Ф. Ленточнопильные станки для распиловки древесины
[Текст] / Г. Ф. Дружков.– М.: Лесн. пром – сть, 1979.– 230 с.
7. Прокофьев, Г. Ф. Интенсификация пиления древесины рамными и ленточными пилами [Текст] / Г. Ф. Прокофьев.– М.: Лесн. пром–сть, 1990.–240с.
8. Свиридов, Л. Т. Влияние технологических параметров ленточнопильного станка на качественные показатели процесса пиления [Текст] / Л. Т. Свиридов, А. И. Максименков // Математическое моделирование, компьютерная
оптимизация технологий, параметров оборудования и систем управления лесного комплекса: Сб. науч. тр. / ВГЛТА. – Воронеж, 2003. – Вып.8.–С.139 – 142.
9. Феоктистов, А. Е. Подготовка ленточных пил к работе [Текст] / А. Е.
Феоктистов. – М.: Лесн. пром – сть, 1971. – 72 с.
103
УДК 674.815-41
ПАРАМЕТРЫ ПРОЦЕССА ШЛИФОВАНИЯ МЕБЕЛЬНЫХ
ЩИТОВ
Н.И. Послухаев, Е.М. Разиньков
Воронежская государственная лесотехническая академия
В работе приведены результаты исследованы основные параметры шлифования мебельных щитов: угловые параметры при микрорезании; траектория микрорезания шлифующим зерном; длина контакта зерна с деталью; толщина слоя, снимаемого одним зерном;
суммарная толщина снимаемого слоя.
Процесс шлифования мебельных щитов из древесностружечных плит
(ДСтП) и плит МДФ изучен очень мало. Наиболее значимой в этом плане является работа В.А. Косарева [1] по шлифованию плит, который провёл анализ результатов ряда отечественных и зарубежных авторов. Однако теории подхода к
процессу шлифования, а тем более к процессу качества шлифования, в этой работе нет. В действительности, процесс шлифования ДСтП сопровождается
влиянием ряда факторов, которые оказывают влияние на основные выходные
параметры процесса: угловые параметры при микрорезании; траекторию микрорезания шлифующим зерном; длину контакта зерна с деталью; толщину слоя,
снимаемого одним зерном; суммарную толщину снимаемого слоя; конечную
шероховатость поверхности ДСтП, в конечном счете определяет качество шлифования плит.
Представим схему микрорезания поверхностного слоя ДСтП одним зерном
(рис.1).
Рис. 1 Схема микрорезания поверхности ДСтП:
А – основной царапающий элемент; М – микровыступ; N – субмикровыступ;
KL – линия среза; Е-Е1 – контур зерна на линии бесконечной шлифовальной ленты
На этой схеме обозначены: а – толщина снимаемого слоя ДСтП; N - толщина снимаемого слоя одним микровыступом зерна; М – то же выступом зерна;
в – точка внедрения микровыступа зерна в ДСтП; ρ - радиус закругления зерна;
γх – передний угол в некоторой точке х; δх – угол резания в точке х; ν - направление подачи ДСтП; ах – толщина снимаемого слоя в точке х.
©
Послухаев Н.И., Разиньков Е.М., 2007
104
В процессе шлифования плит общая толщина снимаемой поверхности с
одной пласти плиты составляет около 0,75 мм. Снятие поверхности такой толщины производится обычно в три захода. Толщина минимально снимаемого
слоя при этом должна составлять около 20-30 % от общей толщины, т.е. максимум 0,225 мм (или а = 225 мкм).
При шлифовании ДСП на отечественных станках ДКШ-1 окончательное
шлифование производится шлифовальной лентой с диаметром зерен обычно 145
мкм. Если учесть, что зерно зацементировано примерно на ½ своего диаметра в
связку, то даже при окончательном шлифовании активной в работе является высота зерна около 73 мкм (величина ах). Следовательно, даже при минимальной
толщине снимаемого слоя (225 мкм) в работе при его снятии будет находиться
несколько зерен и резание при определенной подаче ДСтП будет происходить по
линии, определяющей ее положение передним углом
γ x = arcsin
ρ − ax
ρ
(1)
При этом угол резания в точке х определяется как
δx =
π
2
+ arcsin
ρ − ax
ρ .
(2)
Наши микроисследования и данные других авторов показали, что для
электрокорунда зернистостью в среднем 80 величина ρ составляет около 8 мкм.
При средней величине ах =55 мкм и ρ = 8 мкм по формулам 1 и 2 получим
средние значения величин γх и δх.
Как видно из рис. 1, угол резания тупой, а это значит, что при таком угле
резания требуется приложение дополнительной силы, сжимающей слой плиты.
Такая сила вызывает: повышение сопротивления сдвигу деформируемого слоя
ДСтП за счет увеличения силы трения в плоскости скалывания в момент сдвига
отделяемых микрочастиц ДСтП; увеличение площади и силы внешнего трения
между шлифовальным барабаном и поверхностью ДСтП. Всё это вызывает не
только обеспечение необходимого усилия подачи ДСтП при её шлифовании, но
и образование при трении тепла, которое частично переходит в шлифуемый материал, а частично в шлифовальный барабан и ленту.
На рабочей поверхности шлифовальной ленты зерна расположены беспорядочно и окружены связкой. Разновысотность зерен мы охарактеризовали выше.
Разноудаленность зерен, определяемая средним расстоянием между вершинами зерен (lср), является важной характеристикой, определяющей шаг микроволны на поверхности ДСтП при ее шлифовании.
Такое расстояние можно определить, зная материал, из которого изготовлен абразив, его плотность (ρа) и зернистость (диаметр зерен - d3 ) шлифовальной ленты.
Для шлифовальных лент, где зерна изготовлены из электрокорунда или
карбида кремния, это расстояние составляет от 70 до 500 мкм при d3 = 110-380
мкм и плотность электрокорунда и карбида кремния в среднем соответственно
3,7⋅103 и 3,1⋅103 кг/м3.
105
Полученные результаты позволяют в дальнейшем установить кинематику
микрорезания с поиском оптимальных условий процесса шлифования древесностружечных плит.
При рассмотрении кинематики микрорезания при шлифовании ДСтП важнейшими параметрами являются: траектория микрорезания; дуга контакта зерна с поверхностью плиты; число зерен по дуге контакта; толщина слоя, снимаемого одним зерном; характер микрорезания отдельным зерном.
Рассмотрим траекторию микрорезания и дугу контакта зерна с поверхностью плиты. В процессе шлифования шлифовальный барабан совершает вращательное движение со скоростью Vкр, а ДСтП имеет поступательное движение со
скоростью Vд. В некоторый момент начинается микроцарапание в точке А
(рис.1) шлифующим зерном барабана.
При шлифовании плит зерно (представим ее на шлифовальном барабане
точкой А), описывает удлинённую циклоиду-трохоиду (рис. 2). Причем, дуга
контакта зерна с поверхностью плиты определится углом ψ. На рис. 3 представлена расчетная схема для определения этого угла.
Рис. 2 Схема движения при шлифовании периферией барабана
Рис. 3 Схема для определения угла ψ при шлифовании ДСтП
При поиске уравнения траектории движения зерна используем систему
прямоугольных координат, вершину которых (точку А) отнесем к началу резания (царапания). Траектория движения точки А шлифующего зерна в относительном движении определится уравнениями
x = R sinψ ± vψ ; ⎫
⎬.
y = R (1 − cosψ ).⎭
Величину vψ определим из отношения
vψ
v0
=
ψ
v
; vψ = 0 ψ ,
2π
2π
где v0 – поступательное перемещение детали за один оборот круга.
(3)
106
Для определения v0 заданную скорость ДСтП vд в м/мин относим к частоте вращения круга (60nкр):
vψ =
vД
vД
vД R
v0
R
ψ =
ψ =
⋅ ψ =
ψ .
2π
60nкр 2π
60nкр ⋅ 2π R
60v кр
Подставляем в уравнение (1) полученное значение vψ :
⎛
⎞⎫
vД
⎟;⎪
x = R⎜ sinψ ±
ψ
⎜
⎟⎬
60
v
кр
⎝
⎠
⎪
y = R(1 − cosψ ),
⎭
(4)
где знак «+» принимается при перемещении ДСтП в направлении сплошной
стрелки; знак «−» при перемещении ДСтП в направлении штриховой стрелки.
Уравнения (4) определяют траекторию относительного движения точки
шлифующего зерна при плоском шлифовании ДСтП периферией барабана.
Длина кривой контакта зерна барабана с ДСтП определяется по формулам,
характеризующих траекторию резания при плоском шлифовании сложной циклоидальной кривой:
⎛
vД
dx = R⎜ cosψ ±
⎜
60v кр
⎝
⎞
⎟dψ ; dy = R sinψdψ ;
⎟
⎠
⎛ vД
dLпл = dx + dy = R 1 ±
cosψ + ⎜
⎜ 60v
60v кр
кр
⎝
2
2v Д
2
2
⎞
⎟ dψ .
⎟
⎠
Примем cos ψ =1 в связи с весьма малой величиной угла ψ. В этом случае
dLпл = R 1 ±
2v Д
60v кр
⎛ vД
+⎜
⎜ 60v
кр
⎝
2
⎞
⎛
v
⎟ dψ = R⎜1 ± Д
⎟
⎜ 60v
кр
⎠
⎝
⎞
⎟dψ .
⎟
⎠
Полная длина кривой контакта шлифовального барабана с ДСтП в пределах угла контакта ψ определится по формуле
⎛
vД
Lпл = R⎜1 ±
⎜ 60v
кр
⎝
⎞ψ
⎛
v
⎟ dψ = R⎜1 ± Д
∫
⎟
⎜ 60v
кр
⎠0
⎝
⎞
⎟ψ .
⎟
⎠
(5)
Величина угла ψ определится по формуле
2
t
⎛ R−t ⎞
ψ ≈ sinψ = 1 − cos ψ = 1 − ⎜
.
⎟ ≈2
D
⎝ R ⎠
2
Подставив в формулу (5) значение ψ, определим
⎛
⎛
⎛
v ⎞
v
vД ⎞
⎟ψ = 2 R⎜1 ± Д ⎟ t = ⎜1 ± Д
Lпл = R⎜1 ±
⎜ 60v ⎟
⎜ 60v ⎟ D ⎜ 60v
кр ⎠
кр ⎠
кр
⎝
⎝
⎝
v
Величина ± д в выражении (6) означает изменение
60vкр
⎞
⎟ Dt .
⎟
⎠
(6)
длины дуги кон-
такта, вызываемое наличием поступательного перемещения ДСтП. Допустим,
что vд возросла и оказалась равной vкр. В этом случае при обычном направлении движения барабана и ДСтП длина кривой контакта практически удвоится.
Для обычных режимов шлифования величины дуг и углов контакта невелики.
107
Для реальных условий шлифования vкр. =25 м/с [1], vд =15 м/мин и
l=t=70-500 мкм (среднее 235 мкм). По формуле (6) находим
15 ⎞
⎛
Lпл = ⎜1 ±
⎟ 200 ⋅ 0,235 = 6,93 мм
⎝ 60 ⋅ 25 ⎠
Рассматривая число зерен по дуге контакта отметим следующее. При шлифовании в пределах дуги контакта L одновременно действует z зерен, причем
z=
L
,
lф
(7)
где lф – фактическое среднее расстояние между шлифующими зернами.
Это расстояние между зернами всегда бывает больше теоретического (lф
> l), так как смежные зерна лишь случайно могут находиться в одной плоскости
вращения барабана на одном расстоянии от оси его вращения.
1
lф
z пл =
⎛
v
⎜1 ± Д
⎜ 60v
кр
⎝
⎞
⎟ Dt ф .
⎟
⎠
(7)
При определении толщины слоя, снимаемого одним зерном руководствуемся следующим. Выше мы ориентировочно приняли, что одним зерном снимается толщина слоя, равная примерно ½ диаметра зерна.
В действительности эту величину можно определить более точно.
Обозначим максимальную и минимальную толщины слоев (срезов), снимаемых одним шлифующим зерном, соответственно аz ср и аz max . Эти величины
определим путем деления а ср и а max на число шлифующих зерен z, действующих в пределах дуги контакта:
a zсс =
а ср
z
=
a z max = 2a zсс
⎫
⎪
Lн
⎪
⎬
a max a max l ф ⎪
=
=
.
z
Lн ⎪⎭
aср l ф
;
(8)
По этим уравнениям и средней толщине слоя ДСтП, снимаемого одним
зерном, применима формула
az =
vд
1
tфlф
,
60vкр ± 2vд
D
(9)
где lф - фактическое среднее расстояние между зернами в шлифовальной
ленте, мм; tф - величина подачи за 1 оборот барабана, мм/об; D - диаметр шлифовального барабана, мм;
Для условий шлифования ДСтП величину tф можно определить
tф =
где
vб
, м/об,
nб
(10)
vб - окружная скорость барабана, м/с;
nб - число оборотов барабана, об/мин.
Величину vб можно определить по известной формуле
vб =
πDnб
60 ⋅ 1000
, м/с.
Величина vб при шлифовании ДСтП находится в пределах 20 м/с [2].
(11)
108
Из этой формулы
nб vб =
Тогда
60 ⋅ 1000 ⋅ vб 60 ⋅ 1000 ⋅ 20
=
= 1911 об / мин = 31,9 об / с .
πD
3,14 ⋅ 200
20
tф = б = 0,63 м / об
31,9
.
(12)
(13)
Зная tф =0,63 м/об, vкр. =25 м/с и vб =15 м/мин при lф =0,235 мм (235 мкм),
получим
15
0,63 ⋅ 0,235 ⋅ 10− 3 = 0,0098 ⋅ 0,0122 = 0,0001196 =
60 ⋅ 25 + 2 ⋅ 15
= 0,1196 ⋅ 10− 3 м = 0,1196 мм = 119,6 мкм
az =
(14)
Таким образом, действительно получается, что зерно величиной 235 мкм
снимает слой 119,6 мкм, т.е. около ½ диаметра зерна.
Однако эти данные получены при условии, что на дуге контакта все зерна
режущие, что в действительности не совсем так.
В работающем шлифовальном барабане
(15)
z = z p + zд + zн , %,
общее число зерен на дуге контакта; zр - число режущих зерен;
где z zд - число давящих зерен; zн - число нережущих зерен.
По данным различных авторов при z =100 %, zр + zд =22% , zн + zд =96 % и
zр=10 % . Тогда zд =22 - zр = 22-10 = 12 %.; zн =90 – zд = 90-12 = 78 %.
Как видно из этих расчётов, лишь 10 % зерен от общего их количества на
дуге контакта являются режущими. Причём, фактическое расстояние между
зернами в среднем равно lф =1,75⋅d3, т.е. при принятом нами значении lф =235
мкм d3 =134 мкм.
Выводы
Аналитически установлены значения основных параметров процесса
шлифования плит: угловые параметры при микрорезании; траектория микрорезания шлифующим зерном; длина контакта зерна с деталью; толщина слоя,
снимаемого одним зерном; суммарная толщина снимаемого слоя; конечная шероховатость поверхности ДСтП, что в конечном счете определяет качество
шлифования плит.
Библиографический список
1. Косарев, В. А. Шлифование древесностружечных плит: [Текст] / В. А.
Косарев Обзорная информация. М., 1981, 52с. (ВНИПИЭИлеспром)
2. Отлев, И. А. Справочник по производству древесностружечных плит:
[Текст] / И. А. Отлев - 2-е изд.М., Лесн. пром-сть, 1990.- 384 с.
109
УДК 674.815-41.07
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ОБЛИЦОВЫВАНИЯ
ДРЕВЕСНО-СТРУЖЕЧНЫХ ПЛИТ СТРОГАННЫМ ШПОНОМ
А. А. Филонов, Ю. С. Боровик, О. А. Ткачева
Воронежская государственная лесотехническая академия
Предложен способ снижения материалоемкости мебельных щитов путем совершенствования технологии облицовывания древесно-стружечных плит строганым шпоном, позволяющий снизить расход древесины ценных и твердолиственных пород на изготовление шпона, а также лакокрасочных материалов при последующей отделке. Представлены результаты
исследования процесса впитывания клея в древесно-стружечную плиту применительно к
процессу облицовывания. Рассмотрен процесс пропитки шпона и факторы, оказывающие на
него влияние.
При облицовывании деталей мебели в настоящее время широко используются различного рода синтетические пленочные и листовые материалы на
бумажной основе. Однако в последнее время все больше внимания уделяется
традиционному облицовочному материалу – строганому шпону.
Основой щитовых деталей мебели, как правило, служит древесностружечная плита, на которую наклеивается облицовочный материал. Поскольку древесно-стружечная плита представляет собой пористый материал, то с
момента нанесения клея на поверхность плиты начинается интенсивное впитывание его в основу, которое продолжается до момента перехода клея в твердое
состояние. Количество клея, впитываемого поверхностью, зависит от пористости основы, вязкости клея, продолжительности контакта жидкого клея с поверхностью, давления прессования. В общем виде эта зависимость может быть
выражена формулой
⎧πr 4
⎫
Qосн = ρ к ⎨
ΔP(τ 1 + τ 2 ) + (ΔP + Pпр )τ 3 ⎬ Fn к ,
⎩ 8μl
⎭
[
где
]
ρ к – плотность клея в жидком состояний;
r и l – усредненные радиус и длина капилляра соответственно;
μ – вязкость клея;
F – площадь поверхности;
nк – количество капилляров;
τ1 – продолжительность открытой выдержки;
τ2 – продолжительность закрытой выдержки;
τ3 – продолжительность отверждения клея;
Рпр – давление при прессовании;
©
Филонов А.А., Боровик Ю.С., Ткачева О.А., 2007
(1)
110
ΔР – перепад давления, вызывающий движение жидкости по капиллярам:
ΔР = Рк + Рд - Рв ,
(2)
где Рк – капиллярное давление;
Рд – давление силы тяжести;
Рв – давление, вызываемое сопротивлением вытесняемого воздуха из капилляров.
Однако для расчета количества впитываемого клея по приведенной формуле необходимы данные о капиллярной структуре поверхности древесностружечных плит, которые в настоящее время отсутствуют, поэтому на кафедре
МТД ВГЛТА проведены экспериментальные исследования процесса впитывания клея в древесно-стружечную плиту применительно к процессу облицовывания. Исследовалось влияние на количество впитываемого клея трех параметров: вязкости клея, продолжительности выдержки после нанесения клея до запрессовки и плотности плиты. В качестве клея использовалась карбамидоформальдегидная смола КФЖ с начальной вязкостью 160 секунд по ВЗ-4.
В результате исследований получена регрессионная зависимость в виде
Y = 29,9 − 3,35 X 1 + 2,76 X 2 − 2,42 X 1 X 2 + 0,96 X 1 X 3 − 0,5 X 2 X 3 + 0,92 X 12 − 1,74 X 22 + 0,5 X 1 X 2 X 3 ,
где Х1 – вязкость клея в кодированных значениях;
Х2 – продолжительность выдержки;
Х3 – плотность плиты.
Как показали результаты экспериментов плотность плит в пределах от 700
до 800 кг/м3, которые используются в производстве мебели, практически не оказывает влияние на количество впитываемого клея. Очевидно, это объясняется тем,
что плотность наружных слоев у тех и других плит отличается незначительно, а
разница в общей плотности плиты обусловливается плотностью внутренних слоев.
В результате исследований установлено так же, что вязкость клея при
существующем способе облицовывания не должна быть ниже 150 с по ВЗ-4, а
продолжительность от момента нанесения клея до запрессовки не должна превышать 50 с.
Расчеты показали, что количество клея, впитываемого основой из древесно-стружечной плиты при облицовывании по действующей технологии, может
находиться в пределах от 20 до 40 г/м2, что составляет в среднем около 25 % от
общего расхода клея. Клей, впитываемый в основу, не участвует в формировании связей основы с облицовочным материалом, но значительно увеличивает
общий расход клея. Кроме того, применение жидкого клея согласно действующей технологии зачастую приводит к просачиванию его на лицевую поверхность шпона, что приводит к увеличению неисправимого брака, особенно при
использовании тонкого или пористого шпона.
Нами разработана новая технология облицовывания древесно-стружечных
плит строганым шпоном, согласно которой, клей наносится не на основу, а на
шпон, после чего листы шпона подсушиваются для удаления растворителя, а
затем напрессовываются на основу. В процессе напрессовывания на лицевой
поверхности образуется защитно-декоративная пленка.
Данная технология имеет следующие преимущества:
111
- исключается впитывание клея в основу;
- исключается просачивание клея на лицевую поверхность, что дает возможность использовать для облицовывания шпон практически любой толщины, а так же из пористых пород древесины;
- значительно сокращается расход лакокрасочных материалов при последующей отделке, а в некоторых случаях отделка может быть вообще исключена, например, для внутренних и нелицевых поверхностей корпусной мебели.
Нанесение клея на шпон может осуществляться путем окунания или клеенаносящими вальцами.
Одним из факторов, оказывающих влияние на прочность приклеивания
шпона к основе и качество поверхности, безусловно, будет количество клея, которое зависит от продолжительности пропитки и вязкости смолы. Вязкость
смолы, в свою очередь, зависит от концентрации и температуры смолы.
С целью определения влияния данных факторов на количество нанесенного клея при пропитке шпона путем окунания были проведены эксперименты с
использованием униформ-ротатабельного плана. Для экспериментов использовались образцы букового шпона толщиной 0,4 мм размером 100х50 мм. В качестве клея брали карбамидоформальдегидную смолу КФ-Ж с начальной концентрацией 65,6 %. Пропитку осуществляли в ванне, после чего высушивали образцы в сушильном шкафу. Количество сухой смолы в шпоне вычисляли как
разницу масс образца до пропитки и после пропитки, отнесенную к начальной
массе образца и выраженную в %.
Уровни варьирования переменных факторов приведены в таблице.
Таблица 1
Уровни варьирования факторов
ОбоЗначения параметров
Ед.
Входные параметры
значеизм. -1,68
-1
0
+1 +1,68
ние
Концентрация смолы
%
40
45,2 52,8 60,4 65,6
Х1
Продолжительность
питки
Температура смолы
про-
Х2
Х3
с
0
С
10
32
65
98
120
20
26
35
44
50
В результате реализации серии экспериментов получено уравнение регрессии
Y = 27 + 7,1X 1 + 1,8 X 2 − 0,5 X 3 − 0,65 X 12 − 0,5 X 32 + 0,5 X 1 X 3 + 1,2 X 2 X 3 .
На рис. 1, 2, 3 приведены графики зависимости содержания сухой смолы
в шпоне от ее концентрации, температуры и продолжительности пропитки. Вопреки ожиданиям оказалось, что увеличение концентрации смолы приводит к
увеличению содержания сухой смолы в шпоне, несмотря на то, что вязкость
смолы с увеличением концентрации резко возрастает, а это в свою очередь
ухудшат условия пропитки. Очевидно, это объясняется тем, что увеличение содержания смолы происходит в основном не за счет ее впитывания, а за счет на-
112
липания на поверхность шпона. Этот факт подтверждается так же тем, что температура смолы, как следует из рис. 3, не оказывает влияния на процесс пропитки, несмотря на то, что с ее увеличением снижается вязкость.
40
5
4
3
2
1
Содержание сухой смолы
в ш поне, %
30
20
10
40
45
50
55
Концентр ация смолы, %
60
65
Рис. 1 Зависимость содержания сухой смолы в шпоне от концентрации смолы, %:
1- продолжительность пропитки 10 с.; 2 – то же 32 с.; 3 – то же 65 с.; 4 – то же 98 с.; 5 – то же 120 с
40
5
4
3
2
1
Содержание сухой смолы
в шпоне, %
30
20
10
40
45
50
55
Концентр ация смолы, %
60
65
Рис. 2 Зависимость содержания сухой смолы в шпоне от продолжительности пропитки, %:
1 – концентрация смолы 40 %; 2 – то же 45,2 %; 3 – то же 52,8 %; 4 – то же 60,4 %; 5 – то же 65,6%
113
40
Содержание сухой смолы
в ш поне, %
5
4
30
3
20
2
1
10
20
30
40
Темпер ату р а пр опиточной смолы, гр ад. С
50
Рис. 3 Зависимость содержания сухой смолы в шпоне от температуры пропиточной смолы, %:
1 – концентрация смолы 40 %; 2 – то же 45,2 %; 3 – то же 52,8 %; 4 – то же 60,4 %; 5 – то же 65,6%
Продолжительность пропитки незначительно сказывается на содержании
смолы в шпоне (рис. 2). Некоторое увеличение содержания смолы при более
длительной выдержке шпона в ванне свидетельствует о том, что процесс пропитки все же имеет место, однако при малой толщине шпона объем пор, заполняемых смолой незначителен.
Следует отметить, что как при формировании клеевой прослойки между
основой и шпоном, так и при образовании защитной пленки на лицевую поверхность, участвует лишь смола, находящаяся на поверхности шпона. Из приведенных рассуждений следует, что более эффективным способом нанесения
смолы на шпон является вальцовый способ, который является наиболее технологичным, обеспечивает равномерное нанесение на поверхность и позволяет
регулировать количество наносимой смолы.
Библиографический список
1. Гончаров, Н. А. Технология изделий из древесины [Текст] : учеб. для
вузов / Н. А. Гончаров, В. Ю. Башинский, Б. М. Буглай. – М. : Лесная пром-сть,
1990. – 528 с.
2. Онищенко, З. А. Изготовление и применение тонкого строганого шпона [Текст] / З. А. Онищенко, И. Д. Борисков. – М. : Лесная пром-сть, 1976. – 40
с.
3. Плоткин, Л. Г. Технология и оборудование пропитки бумаги полимерами [Текст] / Л. Г. Плоткин. – М. : Лесная пром-сть, 1975. – 144 с.
114
РАЗДЕЛ V ЛЕСОХИМИЯ
УДК 674.817-41
ЗАЩИТНАЯ ОБРАБОТКА ДРЕВЕСНО-ВОЛОКНИСТЫХ
ПЛИТ НИЗКОМОЛЕКУЛЯРЫМИ СОПОЛИМЕРАМИ НА
ОСНОВЕ ПОБОЧНЫХ ПРОДУКТОВ НЕФТЕХИМИИ С
РАЗЛИЧНЫМ СОДЕРЖАНИЕМ СТИРОЛА
Н.С. Никулина, С.С. Никулин, О.Н. Филимонова, В.С. Болдырев
Воронежская государственная лесотехническая академия
Приведены исследования по влиянию содержания стирола в низкомолекулярных полимерных материалах, полученных из побочных продуктов нефтехимии, на свойства ДВП. Установлено, что наиболее существенное влияние оказывают содержание стирола в полимерном материале, температура и продолжительность термообработки.
Нефтехимия является одной самых развивающихся отраслей промышленности. Переработка и использование нефтяного и газового сырья неизбежно
приводит к образованию и накоплению значительных количеств отходов как
органического, так и неорганического происхождения. Утилизация этих отходов – важная и актуальная проблема человечества, позволяющая снизить загрязнение окружающей среды, более полно и рационально использовать природные ресурсы.
Одной из активно развивающихся отраслей нефтехимии является производство синтетических каучуков. Получение каучуков с использованием катализаторов Циглера-Натта сопровождается образованием в качестве побочных
продуктов димеров, тримеров и других низкомолекулярных производных бутадиена. При производстве полибутадиенового каучука в качестве таких побочных продуктов образуются: 4-винилциклогексен (ВЦГ); циклододекатриен1,5,9 (ЦДТ); н-додекатетраен-2,4,6,10 (НДТ). Кроме того, ВЦГ в качестве побочного продукта образуется и в некоторых других производствах с участием
бутадиена-1,3 [1,2].
В ряде опубликованных работ была показана возможность получения на
основе димеров и тримеров бутадиена сополимеризацией их со стиролом, акриловыми мономерами низкомолекулярных полимерных материалов, которые
могут найти применение в производстве лакокрасочных материалов, в качестве
пропитывающих составов, в полимерных композитах различного назначения и
др. Во всех рассмотренных случаях получение полимерных материалов протекало при использовании высокого содержания (70 – 80 %) стирола в исходной смеси мономеров. Стирол – это дорогой и токсичный продукт.Поэтому,
снижение содержания стирола в исходной смеси мономеров и получаемом
©
Никулина Н.С., Никулин С.С., Филимонова О.Н., Болдырев В.С., 2007
115
полимерном материале позволит уменьшить его себестоимость и сделать более
конкурентоспособным.
Цель данной работы – изучение влияния содержания стирола в исходной
смеси мономеров на основе побочных продуктов производства полибутадиена
на процесс получения низкомолекулярных сополимеров в присутствии природных алюмосиликатов и их свойства при использовании для защитной обработки древесноволокнистых плит (ДВП).
О каталитической активности алюмосиликатных катализаторов существует
несколько мнений. Протон может образовываться в результате диссоциации
молекулы воды, одновременно на атоме алюминия появляется гидроксильная
группа. Таким образом в структуре, содержащей тетраэдрические ионы кремния и алюминия. Возникает бренстедовский кислотный центр. При нагревании
конституционная вода удаляется и бренстедовский центр превращается в льюисовский. Данный процесс обратим:
─ H2O
H─O
─Si─O─Al──O─Si─
O
─Si─
↔
+ H2O
─Si─O─Al─O─Si─
O
─Si─
.
Электрофильный атом алюминия реагирует с непредельными углеводородами:
H─O O
H─ O O
R─CH=CH2 + H+ ─Al —O— → (R─+CH─CH3) Al─—O—
O
O .
Однако одновременно с полимеризацией в присутствии алюмосиликатных
катализаторов могут протекать и другие процессы: изомеризации, алкилирование, дегидрирование и др. При этом какой из этих процессов будет доминировать, определяется условиями синтеза, составом алюмосиликатного катализатора, условиями его активации. Поэтому исследование полимеризационной активности низших производных бутадиена на глинах представляет как практический, так и научный интерес.
В работе использовался кубовый остаток ректификации возвратного растворителя – толуола производства полибутадиена, содержащего ~ 47 % мас.
ВЦГ и ~ 18 % мас. ЦДТ, НДТ и других высококипящих соединений.
Получение полимерных материалов на основе стирола и побочных продуктов производства полибутадиена осуществляли следующим образом.
В реактор загружали 100 г углеводородной шихты с различным содержанием стирола и 25 г катализатора на основе глин, латнинского месторождения
Воронежской области (ЛТ-1, ЛТ-2, ЛТ-3).
Катализатор на основе глин латнинского месторождения, состав которых
представлен в табл. 1, готовили следующим образом. Глины смешивались с во-
116
дой до получения тестообразной массы. Из неё формировали гранулы диаметром 4-5 мм и длиной 7-10 мм. Приготовленные гранулы подсушивали в сушильном шкафу при 90-100 0С в течение 2-3 часов. После чего подвергали термообработке при 450-500 0С в течение 3-5 часов. Приготовленный таким образом катализатор хранили в эксикаторе без доступа воздуха.
Таблица 1
Состав глин латнинского месторождения
Содержание основных компонентов,%
Глины
1
ЛТ-1
ЛТ-2
ЛТ-3
SiO2
2
37,2
33,4
29,5
AI2O3 Fe2O3
3
4
49,3
1,4
51,7
1,2
54,5
1,5
TiO2
5
1,7
1,8
1,6
CaO
6
0,8
1,0
0,7
MgO
7
0,2
0,3
0,3
Na2O
8
0,4
0,4
0,5
K2O
9
0,4
0,5
0,4
Реактор герметично закрывали и процесс проводили при 165±2 0С в течение 24 часов с отбором проб через определенные промежутки времени и определением в них содержания полимерного материала по сухому остатку.
Анализируя экспериментальные результаты (табл. 2-4) можно сделать вывод, что чем больше содержание стирола в исходной смеси мономеров, тем
выше выход получаемых низкомолекулярных сополимеров и их молекулярная
масса, определенная вискозиметрическим методом ( M v ). Получаемые сополимеры обладают невысокой молекулярной массой и малыми размерами (менее
10 нм) и, следовательно, должны легко проникать в структуру модифицируемой древесноволокнистой плиты.
Получаемый продукт представляет собой вязкую, маслообразную массу
темно-коричневого цвета в обычных условиях (20-25 оС), вязкость которой возрастает с увеличением содержания стирола в получаемом низкомолекулярном
сополимере. При повышении температуры вязкость системы уменьшается, что
позволяет осуществлять процесс пропитки без дополнительного введения органического растворителя для снижения вязкости пропиточного раствора. Это в
значительной степени упрощает технологию модификации, устраняет необходимость решения такой важной возникающей проблемы, как улавливание и
утилизация органического растворителя, а также уменьшается загазованность
производственных помещений и в целом улучшается экологическая обстановка.
Оценку эффективности применения низкомолекулярного сополимера, полученного из побочных продуктов производства полибутадиена при разном содержании стирола в исходной смеси мономеров, проводили на образцах древесноволокнистых плит размером 150×75 мм.
117
Таблица 2
Влияние содержания стирола в исходной смеси мономеров и продолжительности сополимеризации на выход низкомолекулярных сополимеров и их молекулярную массу
Содержание
стирола в исходной смеси
мономеров, %
Выход низкомолекулярных сополимеров, %
Продолжительность сополимеризации, ч
4
8
12
1
2
3
4
0
11…15 22…26 30…34
20
20…24 40…45 51…56
40
35…37 59…64 68…72
60
51…54 66…69 72…76
80
63…67 73…77 79…83
90
70…73 75…79 82…86
Примечание Катализатор ЛТ-1
16
20
24
5
37…40
59…61
75…79
78…82
85…88
87…91
6
40…45
63…67
74…78
83…86
89…92
92…95
7
47…53
68…70
80…84
88…93
93…97
95…98
Молекулярная масса
(МV)
8
920
1150
1540
1480
1590
1620
Таблица 3
Влияние содержания стирола в исходной смеси мономеров и продолжительности сополимеризации на выход низкомолекулярных сополимеров и их молекулярную массу
Содержание
Выход низкомолекулярных сополимеров, %
стирола в исПродолжительность сополимеризации, ч
ходной смеси
мономеров, %
4
8
12
16
20
24
1
2
3
4
5
6
7
0
14-18
26-29
34-38
38-41
41-46
47-51
20
26-29
42-47
54-58
65-68
69-72
72-74
40
34-38
54-58
69-72
76-80
80-83
84-88
60
47-51
62-65
74-78
82-85
86-89
90-92
80
60-63
69-72
81-84
87-90
90-93
93-96
90
65-68
73-77
85-88
89-92
91-94
95-97
Примечание Катализатор ЛТ-2
Молекулярная
масса
(МV)
8
960
1200
1270
1360
1400
1390
Обработку проводили следующим образом. Предварительно высушенные
и взвешенные образцы погружали в пропиточную ванну, содержащую низкомолекулярный сополимер, полученный из побочных продуктов производства
полибутадиена с добавкой сиккатива ~ 10% мас. и выдерживали согласно плана
эксперимента в течение одной минуты при заданной температуре. Пропитанные образцы ДВП вынимали из ванны, подсушивали и подвергали термообработке. После термообработки образцы охлаждали до комнатной температуры и
взвешивали. Содержание сополимера в образцах определяли гравиметрически
118
по изменению массы.
Таблица 4
Влияние содержания стирола в исходной смеси мономеров и продолжительности сополимеризации на выход низкомолекулярных сополимеров и их молекулярную массу
Содержание
Выход низкомолекулярных сополимеров, %
стирола в исПродолжительность сополимеризации, ч
ходной смеси
мономеров, %
4
8
12
16
20
24
0
10-13
28-32
39-42
45-50
50-53
54-57
20
16-20
41-44
50-55
58-62
63-67
67-70
40
37-41
62-66
68-72
74-78
82-86
89-92
60
52-55
68-70
73-76
80-82
88-90
91-94
80
62-65
72-74
77-81
85-88
90-93
94-97
90
68-71
76-79
81-83
88-90
93-95
95-99
Примечание Катализатор ЛТ-3
Молекулярная
масса
(МV)
890
1050
1340
1570
1500
1650
Дополнительное введение сиккатива способствует ускорению как процессов образования гидропероксидов, так и их распаду. Реакции, протекающие с
участием кислорода воздуха, интенсивно протекают в поверхностных слоях.
Ограниченность доступа кислорода в глубь композиции уменьшает долю окислительных процессов, возрастающую роль приобретают реакции высокотемпературной полимеризации. Эту реакцию активируют различные радикалы, присутствующие в системе (R•, RO•, ROO•)
Реакции, протекающие с участием кислорода воздуха, интенсивно протекают в поверхностных слоях. Ограниченность доступа кислорода в глубь композиции уменьшает долю окислительных процессов, возрастающую роль приобретают реакции высокотемпературной полимеризации. Эту реакцию активируют различные радикалы, присутствующие в системе (R•, RO•, ROO•)
...-CH - CH=CH- ...
ООН
... -CH - CH=CH- ...
→
О•
+ HO•
... -CH - CH=CH- ... + ... -CH2 - CH=CH- ... → ... -CH - CH=CH- …
O•
O -CH-•CH- ...
CH2- ...
Процесс пленкообразования неизбежно сопровождается и окислительной
деструкцией, в результате которой образуются соединения, содержащие карбонильные, карбоксильные, гидроксильные группы. Эти функциональные группы
могут взаимодействовать с активными группами лигнина и целлюлозы. Вероятность протекания таких процессов особенно велика в поверхностных слоях, в
условиях формирования пленки с большим доступом кислорода воздуха.
119
Изучение процесса защитной обработки образцов ДВП проводили с использованием планирования эксперимента по плану греко-латинского квадрата
четвертого порядка (4×4) [3].
В качестве основных факторов, оказывающих наибольшее влияние на
свойства ДВП были выбраны: температура пропиточного состава — 60, 80, 100
и 120 0С (фактор А); содержание стирола в исходной смеси мономеров – 0, 30,
60 и 90 % мас. (фактор В); температура термообработки 100, 120, 140 и 160 0С
(фактор С); и продолжительность термообработки — 1, 3, 5 и 7 ч (фактор D).
Свойства пропитанных ДВП контролировался по изменению таких показателей
как прочность при изгибе, водопоглощение, разбухание по толщине.
После обработки экспериментальных результатов с применением вычислительных средств были получены уравнения регрессии, описывающие влияние
основных технологических параметров процесса на свойства образцов ДВП:
- прочность при изгибе, МПа
Yпроч. = 8,32·10-6·(48,3 + 0,0113·а)·(46,6 + 0,181·b – 0,0017·b2)·
·(47,6 + 0,0138·с)·(44,8 + 0,148·d);
- водопоглощение (через 24 ч), %
Yводопог. = 2,26·10-4·(19,5 – 0,0336·а)·(18,1 – 0,0355·b)·(21,6 – 0,0398·с)·
·(16,9 – 0,111·d);
- разбухание по толщине (через 24 ч), %
Yразбух. = 6,89·10-4·(12,2 – 1,0·10-4·а)·(12,9 – 0,033·b)·(15,6 – 0,0327·с)·
·(11,6 – 0,079·d)
Анализируя полученные зависимости, можно сделать вывод, что условиями,
обеспечивающими наилучшие показатели получаемых плит являются:
1. Температура состава 120 0С. Хотя при этом необходимо отметить, что
влияние температуры не является существенным. Температурный режим
можно выдерживать и на более низком уровне выигрывая при этом в энергетике процесса.
2. Влияние содержания стирола в исходной смеси мономеров проходит через
максимум. То есть наилучшее содержание стирола в исходной смеси мономеров должно находиться на уровне 60…70 % мас. Это связано с тем высокое содержание стирола (90 % мас.) в исходной смеси мономеров приводит
к снижению скорости процессов структурирования из-за уменьшения количества двойных связей.
3. Температура термообработки и продолжительность термообработки также
находятся на верхних значениях интервала.
Это связана с тем, что ДВП обладает малой плотностью и низкомолекулярный
сополимер легко проникает в её структуру за короткий промежуток времени, аналогично и влияние температуры. С целью экономии энергозатрат нет необходимости проводить пропитку при повышенных температурах.
Наиболее существенное влияние оказывают продолжительность и, особенно,
температура термообработки. Это связано с тем, что при повышенных температурах ускоряются процессы структурирования.
120
Сравнение расчетных и экспериментальных значений, полученных по вышеприведенным уравнениям и в выбранных условиях эксперимента представлены в
табл. 5 и показывают их хорошую сходимость.
Таблица 5
Расчетные и экспериментальные значения ДВП, подвергнутой защитной обработке
Показатели
Прочность при изгибе, МПа
Водопоглощение, %
Разбухание по толщине, %
Значения
Расчет
Эксперимент
48,4
51,2
13,7
12,4
10,5
9,9
Визуальный осмотр срезов пропитанных ДВП, показал на хорошее равномерное его распределение в объеме получаемой плиты, заполнение производственных дефектов, микро- и макропор. Образующийся полимерный каркас из
пространственно - структурированного стиролсодержащего олигомера и продуктов его взаимодействия с компонентами древесины способствуют снижению выделения формальдегида из изделий, в которых в качестве связующих
использованы феноло- или мочевиноформальдегидные смолы.
Применение для защитной обработки образцов ДВП сополимерных материалов, полученных из отходов и побочных продуктов нефтехимического производства позволяет решать вопросы, не только касающиеся улучшения
свойств изделий, но и вопросы экологического характера.
Библиографический список
1. Кроль, В. А., Свойства и применение диеновых олигомеров [Текст] / В.
А. Кроль, Э. М. Ривин, Г. Т. Щербань. – М.: ЦНИИТЭнефтехим, 1984. – 41 с.
2. Никулин, С. С., Отходы и побочные продукты нефтехимических производств – сырье для органического синтеза [Текст]/ С. С. Никулин, В. С. Шеин, С. С. Злотский. – М.: Химия, 1989. – 240 с.
3. Ахназарова, С. Л., Кафаров, В. В. Методы оптимизации эксперимента в
химической технологии [Текст] / С. Л. Ахназарова, В. В. Кафаров. – М.:
Высш.шк., 1985. – 328 с.
121
РАЗДЕЛ VI МАШИНЫ ЛЕСНОГО КОМПЛЕКСА
УДК 630.232.427
ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ С ПОЧВОЙ ГИБКОГО ОБОДА
УПЛОТНЯЮЩЕГО КАТКА ЛЕСОПОСАДОЧНОЙ МАШИНЫ
И.М. Бартенев, П.И. Титов
Воронежская государственная лесотехническая академия
Проведены исследования взаимодействия гибкого обода почвоуплотняющего катка
лесопосадочной машины с почвой. Установлены зависимости нагрузки на каток от его геометрических параметров и сопротивления перекатывания катка от нагрузки на него.
В процессе механизированной посадки сеянцев и саженцев лесопосадочными машинами важным качественным показателем является уплотнение
почвы катками. Конструкции уплотняющих катков лесопосадочных машин при
уплотнении почвы сдвигают верхний слой почвы вперед по ходу движения, что
отрицательно влияет на качество заделки корневых систем лесных культур.
Поэтому для снижения перемещения почвы в направлении движения катка и более равномерного ее уплотнения нами предложена конструкция уплотняющего катка с гибким ободом [1].
Многочисленными исследованиями установлено, что зоны под катком с
жестким ободом следующие:
– зона скольжения на длине пути ∆S> r ⋅ θ ск ,
– зона сцепления ∆S= r ⋅ θ сц ,
– зона буксования ∆S< r ⋅ θ б ,
где ∆S – длина пути,
θск, θсц, θб – центральные углы зон скольжения, сцепления и буксования.
Зоны скольжения и буксования весьма не желательны с точки зрения агротехники. С.С. Саакян отмечает, что наиболее опасными следует считать продольные перемещения частиц почвы, т.е. почвенные сдвиги в направлении перекатывания катка [2].
Наши исследования показали, что в катках с гибким ободом зоны скольжения и буксования сведены к минимуму.
Ш.М. Григоряном [3] установлено, что угол обхвата зоны сцепления зависит от φ - угла трения обода о почву – и равен
θ сц = 2φ .
Угол обхвата θсц можно определить по приближенной формуле
2H к
θ сц = arcsin
.
Dr
© Бартенев И.М., Титов П.И. 2007
122
Угол обхвата θр задан конструктивно и равен
2π
,
θр =
n
где n - количество спиц.
При качении катка на первом этапе образуется валик, аналогично жесткому ободу, а после деформации упругого обода происходит деформация
почвы в замкнутом контуре. Допускаем, что поперечная площадь валика почвы
перед катком будет равна поперечной площади замкнутого объема почвы между поперечинами и упругой лентой.
Для аналитического определения рациональной нагрузки на каток, при
которой обеспечивается требуемая плотность почвы после посадки сеянцев,
рассмотрим схему всех сил действующих на каток (рис. 1)
Давление на единицу площади смятия почвы можно определить из выражения
Q
q=
,
Sсм
где Sсм – площадь смятия почвы, м.
Рис. 1 Расчетная схема к определению сил действующих на каток
Площадь смятия Sсм можно определить из следующего выражения:
длина дуги
D
L2 = к θр ,
2
где bк – ширина катка, мм.
D
Sсм = к θ р b к .
2
Тогда выражение для определения давления смятия почвы на единицу
площади примет вид
2Q
,
q=
Dкθ р bк
или, подставив Q из формулы Горячкина [4], будем иметь
123
2
2 P0 а к D к а к
.
q= 3
Dкθ р
Полученные выражения устанавливают связь между деформацией почвы
и геометрическими параметрами уплотняющего катка DK, bK, дают возможность определить рациональные параметры в зависимости от условий работы
(глубина и ширина борозды, плотность почвы).
Для определения реактивных сил сопротивления движению катка выделяем элементарный участок дуги обода катка длиной
dl=rкdθ,
и определяем элементарную силу dF от распределенной нагрузки
dF = qrкbкdθ.
Подставив текущее значение q, получим
dF = qrкbкsinθdθ.
Сумма проекций реактивных сил на ось OY равна рациональной нагрузке
на каток, обеспечивающей требуемую плотность почвы
Q = Fyсц + Fyск = qrк b к (θ р − sin θ р cos θ р ).
(1)
1,5
Нагрузка на каток, кН
Нагрузка на каток, кН
Сумма проекций реактивных сил на ось ОХ равна силе сопротивления
перекатыванию катка
2
θ ск
Fсопр = q ⋅ rк ⋅ b к
cos 2θ ск + q ⋅ rк ⋅ b к cos(θ сц + θ ск )cos θ p .
(2)
2
Расчеты, проведенные по формулам (1) и (2) и полученные графики (рис.
2) показывают, что нагрузка на каток возрастает при увеличении как диаметра
катка (рис. 2,а), так и ширины его обода (рис. 2,б). При выбранных рациональных значениях диаметра (400-600 мм) и ширины обода (100-150 мм) нагрузка
на каток Q должна составлять 0,8-1,2 кН, а удельная нагрузка, приходящаяся на
1 см ширины обода, - 80-100 Н.
1
0,5
0
0,2
0,4
0,6
Диаметр катка, м
0,8
2
1,5
1
0,5
0
0,05
0,1
0,15
0,2
0,25
Ширина обода катка, м
Рис. 2 Зависимость нагрузки на каток: а – от диаметра катка;
б – от ширины обода катка
Сопротивление перекатыванию катка по взрыхленной сошником почве
возрастает при увеличении нагрузки и для катка с выбранными рациональными
параметрами находится в пределах Fconp = 0,4-0,64 кН (рис. 3).
Сопротивление перекатыванию катка,
кН
124
0,7
0,6
0,5
0,4
0,3
0,2
0,1
0
0,4
0,6
0,8
1
1,2
1,4
Нагрузка на каток, кН
Рис. 3 Зависимость сопротивления перекатыванию катка от вертикальной нагрузки
Таким образом, уплотняющий каток лесопосадочной машины с гибким
ободом обеспечивает более качественные показатели заделки корневых систем
лесных культур по сравнению с обычными конструкциями.
Библиографический список
1. Пат. № 2280350, МПК А 01 С 11/02. Заделывающий рабочий орган лесопосадочной машины [Текст] / И. М. Бартенев, П. И. Титов ; заявитель и патентообладатель ВГЛТА. - № 2005103260/12 ; заявл. 08.02.2005 ; опубл.
27.07.2006, Бюл. № 21. - 5 с.
2. Саакян, С. С. Взаимодействие ведомого колеса и почвы [Текст] : автореф. дис. ... д-ра техн. наук / С. С. Саакян. - Ереван, 1959.
3. Григорян, Ш. М. Научные основы механизации технологических процессов возделывания табака [Текст] : автореф. дис. ... д-ра техн. наук / Ш. М.
Григорян. - Ереван, 1969.
4. Горячкин, В. П. Собрание сочинений [Текст] : в 3 т. / В. П. Горячкин ;
под ред. Н. Д. Лучинского. - 2-е изд. - М. : Колос, 1968.
125
УДК 631.3.072
ВЫНУЖДЕННЫЕ КОЛЕБАНИЯ КОМБИНИРОВАННЫХ
МАШИННО-ТРАКТОРНЫХ АГРЕГАТОВ (КМТА)
И.Е. Донцов
Воронежская государственная лесотехническая академия
Рассмотрены моделирования колебаний КМТА с навесными орудиями, в том числе
фронтальными, боковыми и задненавесными. Получены дифференциальные уравнения вынужденных колебаний КМТА в горизонтальной плоскости.
В современной зарубежной и отечественной практике земледелия все
большее применение находят КМТА [1]. Для всех КМТА ключевым является
вопрос качества работ, связанный с необходимостью следовать по заданной
траектории. Параметры агрегата должны обеспечивать устойчивый ход, минимальные отклонения, и быстрое затухание переходных колебательных процессов в случае возникновения случайных возмущений. Это тем более актуально
для КМТА с орудиями фронтальной навески, поскольку не все фронтальные
орудия являются устойчивыми, и при этом всегда стремятся вывести трактор из
состояния устойчивого равновесия.
Рассматриваются вынужденные (под действием возмущающих сил) колебания КМТА с навесными орудиями, соединенными с трактором с помощью
шарнирных четырехзвенных механизмов навески. Подвижность системы определяется n+1 степенями свободы. При этом (рис. 1) учтены: 1) поперечное смещение ϕ0 центра давления трактора вдоль оси X0, 2) колебания трактора ϕ 1 вокруг оси О1, проходящей через его центр давления, 3) колебания n-1 навесных
орудий ϕ 2, ϕ 3 ,…, ϕn вокруг осей О2 , О3 ,…, Оn.
На схеме (см. рис. 1) обозначены: ϕ j - обобщенные координаты системы
(здесь j=0,1,2,…,n – индекс обобщенных координат); т.т. Оj – центры соответствующих обобщенных координат; т.т. Sj – центры масс трактора и орудий; т.т. Dj.i
– центры приведения сил взаимодействия с почвой колес и рабочих органов
(i=1,2,…,N – индекс рабочих органов); Rj.i, Mj.i – главные векторы и моменты сил
сопротивления колес и рабочих органов; Tj.i, Wj.i - главные векторы и моменты
движущих (тормозящих) сил ведущих колес трактора и орудий; Gj – горизонтальные составляющие сил тяжести, соответственно, трактора и орудий при работе на склонах; αj.i, βj.i – углы поворота главных векторов сил взаимодействия;
Δx' R , Δy' R - смещения равнодействующих сил сопротивления колес трактора и
j.i
j.i
рабочих органов от точек приведения; Δx'T , Δy 'T
j .i
j .i
- смещения равнодействую-
щих движущих сил колес трактора и рабочих органов от точек приведения;
©
Донцов И.Е., 2007
126
VOXY , V DXY - векторы абсолютных скоростей точек приведения (в плоскости XY);
j
j .i
δj.i – углы поворота векторов абсолютных скоростей от продольной оси колес
или рабочих органов; δ′j.i – углы поворота управляемых колес (рабочих органов),
γ - направление склона по отношению к основному (переносному) движению.
Рис. 1 Расчетная схема КМТА с навесными орудиями
Геометрические параметры системы: xSj, ySj – координаты т.т. Sj в плоскости
XjYj; xOj, yOj – координаты т.т. Оj в плоскости X1Y1; Lj – длина j–ой навесной системы; xDj..i, yDj..i – координаты точек приведения (рабочих органов) в плоскостях XjYj.
По исходным данным вычислим вначале некоторые дополнительные
геометрические параметры системы.
В полярных координатах положение точек Sj и Оj и точек приведения (т.
Dj.i) реактивных сил в соответствующих координатных плоскостях характери-
127
зуются длиной радиус-вектора и углом его поворота. Радиус-векторы (L) и углы
поворота (Ψ) вычисляют по формулам
xS
LS j = yS2 j + xS2 j ; ΨS j = arctg j ,
yS j
LOj = yO2 j + xO2 j ; ΨO j = arctg
xO j
yO j
LDj.i = yD2 j.i + xD2 j.i ; ΨD j.i = arctg
,
xD j.i
yD j.i
, (j=1,2,3,…,n), (i=1,2,3,…,N).
(1а)
Радиус-векторы точек приложения равнодействующих сил сопротивления и движущих сил рабочих органов и углы поворота радиус-векторов во время движения вычислим по формулам
x j.i + ΔxR j.i
2
2
=
y
+
Δ
y
+
x
+
Δ
x
;
Ψ
=
arctg
,
LRj.i
j.i
j.i
R j .i
R j.i
R j.i
y j.i + ΔyR j.i
(
) (
)
(
) (
)
2
2
LTj.i = y j.i + ΔyTj.i + xj.i + ΔxTj.i ; ΨTj.i = arctg
x j.i + ΔxTj.i
y j.i + ΔyTj.i
,
(1б)
(j=1,2,3,…,n), (i=1,2,3,…,N).
Введем обозначения углов Φj, Φ0j, Φ1j, Φ2j, которые во время движения
зависят от обобщенных координат ϕ1, ϕj, (j=2,3,…,n) и передаточной функции
Φ1j=U(Φ0j) навесной системы
Φ 0 j = ϕ j − ϕ1 ;
Φ1 j = U0 j + U1 j Φ0 j + U2 j Φ02 j + ... ≈ U1 j Φ0 j = (1 − u j )Φ0 j = (1 − u j )(ϕ j − ϕ1 ) ;
Φ2 j = Φ1 j − Φ0 j ≈ −u j (ϕ j − ϕ1 ) = u j (ϕ1 − ϕ j ) ;
(2а)
Φ j = ϕ1 + Φ1 j = ϕ1 + U0 j + U1 j Φ0 j + U2 j Φ02 j + ... ≈ ϕ1 + (1 − u j )(ϕ j − ϕ1 ) = u jϕ1 + (1 − u j )ϕ j ,
где uj – передаточное число j-ой навесной системы [2].
Отсюда
& 0 j = ϕ& j − ϕ&1 ;
Φ
(2б)
& j = ϕ&1 + U1 j Φ
& 0 j + 2U2 j Φ
& 0 j Φ0 j + ...≈ ϕ&1 + U1 j Φ
& 0 j = ϕ&1 + (1 − u j )(ϕ& j − ϕ&1 ) = u jϕ&1 + (1 − u j )ϕ& j .
Φ
Первая производная от передаточной функции (мгновенное значение передаточного отношения) навесной системы имеет вид:
dΦ1 j
Uj =
= U1 j + 2U 2 j Φ 0 j + 3U 3 j Φ 02 j + ... ≈ U1 j = 1 − u j . (j = 2,3,…,n) (2в)
dΦ 0 j
Далее составим дифференциальные уравнения колебаний механической
системы, используя при этом уравнение Лагранжа II рода:
d ⎛⎜ ∂E ⎞⎟ ∂E
(3)
= Q j , (j=0,1,2,3,…,n)
−
dt ⎜⎝ ∂ϕ& j ⎟⎠ ∂ϕ j
где Qj - обобщенная сила по j-ой обобщенной координате,
128
E - кинетическая энергия системы,
ϕ j , ϕ& j - обобщенные, соответственно, координата и скорость,
t - время.
Для определения левой части уравнений движения запишем выражение
кинетической энергии системы в плоскости X0Y0:
n
2
2
1⎛
& 2j ) ⎞⎟ ,
(4)
E = ⎜ m1VOX1 0Y0 + (m1L2S1 + J1 )ϕ&12 + Σ (m jVSXj 0Y0 + J j Φ
j =2
2⎝
⎠
где m1, mj - массы, соответственно, трактора и орудий;
J1, Jj - моменты инерции трактора и орудий относительно их вертикальных
центральных осей,
VOX1 0Y0 , VSXj 0Y0 – скорости центра давления трактора и центра масс орудия в
плоскости X0Y0.
Запишем векторное равенство (рис. 2):
rX Y
r
r
r
r
VS j 0 0 = VOX1 0Y0 + VOXjO0Y10 + VOX' j0YO0j + VSXjO0Y'0j ,
r
где VOXjO0Y10 - скорость т. Оj вокруг т. О1 в плоскости X0Y0,
r
VOX' j0OY02 - скорость т. О’j вокруг т. Оj в плоскости X0Y0,
r
VSXjO0Y'0j - скорость т. Sj вокруг т. О’j в плоскости X0Y0.
(5)
По условиям задачи, углы между векторами скоростей малы, поэтому заменим векторное равенство (5) его алгебраической суммой. По модулю
X Y
VOX1 0Y0 = ϕ& 0 ; VO jO0 10 = LO j ϕ&1 ; VOX' j0OY0j = L jϕ& j ;
[
]
[
]
& j ≈ L j ϕ&1 + (1 − u j )(ϕ& j − ϕ&1 ) = L j u jϕ&1 + (1 − u j )ϕ& j .
VSXjO0Y'0j = L j Φ
Рис. 2 План скоростей т.Sj
(6)
129
Подставим формулы (6) в выражение (4) и преобразуем последнее к виду:
⎛
⎞
⎜ m 1ϕ& 02 + ( m 1 L 2S + J 1 )ϕ& 12 +
⎟
1
⎜
⎟
n
1⎜
⎟
2
(7)
+⎟.
E = ⎜ + Σ m j ϕ& 0 + L O j ϕ& 1 + L j ϕ& j + L j u j ϕ& 1 + (1 − u j )ϕ& j
j=2
2
⎜
⎟
n
2
⎜ + Σ J u ϕ& + (1 − u )ϕ&
⎟
⎜
⎟
j
j 1
j
j
j
=
2
⎝
⎠
Продифференцируем выражение (7) кинетической энергии по обобщенным координатам, скоростям и времени, как это предписано формулой (3), после чего перепишем уравнения движения в виде системы дифференциальных
n+1 уравнений второго порядка:
⎧ a 0 . 0 ϕ&&0 + a 0 . 1ϕ&&1 + a 0 . 2ϕ&&2 + ... + a 0 . n ϕ&&n = Q 0 ,
⎪ a ϕ&& + a ϕ&& + a ϕ&& + ... + a ϕ&& = Q ,
⎪ 1 .0 0
1 .1 1
1 .2 2
1 .n n
1
(8)
⎨
⎪ .......... .......... .......... .......... .......... ..........
⎪⎩ a j . 0 ϕ&&0 + a j . 1ϕ&&1 + a j . 2ϕ&&2 + ... + a j . n ϕ&&n = Q j , ( j = 2 , 3 ,..., n )
где
{
[
[
]}
]
n
a 0 .0 = m 1 + Σ m j ,
j=2
n
a 0 . 1 = Σ m j ( L O j + u j L S j ),
j=2
a 0 . 2 = m 2 [ L 2 + (1 − u 2 ) L S 2 ],
.......... .......... .......... .......... ,
a 0 . n = m n [ L n + (1 − u n ) L S n ];
(8а)
n
a 1 . 0 = Σ m j ( L O j + u j L S j ),
j=2
n
a 1 . 1 = m 1 L 2S 1 + J 1 + Σ [ m j ( L O j + u j L S j ) 2 + u 2 J j ],
j=2
a 1 . 2 = m 2 ( L O 2 + u 2 L S 2 )[ L 2 + (1 − u 2 ) L S 2 ] + u 2 (1 − u 2 ) J 2 ,
.......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... ........,
a 1 . n = m n ( L O n + u n L S n )[ L n + (1 − u n ) L S n ] + u n (1 − u n ) J n ;
(8б)
a j . 0 = m j [ L j + (1 − u j ) L S j ],
a j . 1 = m j ( L O j + u j L S j )[ L j + (1 − u j ) L S j ] + u j (1 − u j ) J j ,
a j . 2 = m j [ L j + (1 − u j ) L S j ] 2 + (1 − u j ) 2 J j ,
.......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... ,
a j . n = m n [ L n + (1 − u n ) L S n ] 2 + (1 − u n ) 2 J n .
(8в)
130
Для определения обобщенных сил Q0, Q1, Q2,…, Qn зададим системе приращения обобщенных (независимых) координат, соответственно, Δφ0, Δφ1,
Δφ2…, Δφn. Определим возможные перемещения Δsj.i всех точек приложения
внешних сил. Работу внешних сил на указанных перемещениях по каждой j-ой
координате найдем из выражения:
r
r
N n r
r
r
r r
r
Aj = ∑∑(Rj.i × Δs j.i +Tj.i ×Δs j.i + M j.i × Δϕ j.i +Wj.i ×Δϕ j.i ) ,(j=0,1,2,…,n),(i=1,2,…,N) (9)
i j
Используя зависимости Q0=A0/Δφ0, Q1=A1/Δφ1, Q2=A2/Δφ2,…, определим
обобщенные силы, после чего преобразуем выражения для обобщенных сил к
виду:
N
Q0 = Σ {− R1.i sin(α1.i − ϕ1 ) + T1.i sin(β1.i − ϕ1 ) + G1 cosγ +
i =1
n
+ Σ [− R j.i sin(α j.i − Φ j ) + T j.i sin(β j.i − Φ j ) + G j cosγ ]},
j =2
N
Q1 = − Σ {− R1.i L R1.i sin( α 1.i + Ψ R1.i ) − M 1.i + T1.i LT1.i sin( β1.i + ΨT1.i ) − W1.i +
i =1
+ G1 LS1 cos( ϕ1 + ΨS1 − γ ) +
n
+ Σ [ − R j .i LO j sin( α
j=2
j .i
− Φ 1 j + ΨO j ) + T j .i LO j sin( β j .i − Φ 1 j + ΨO j ) +
+ G j LO j cos( ϕ1 + ΨO j − γ )]},
……………………………………………………………………………..
N
n
Q j = Σ Σ [ − R j .i L j sin( α j .i − Φ 2 j ) − U j R j .i LR j .i sin( α j .i + ΨR j .i ) − U j M j .i +
i =1 j = 2
+ T j .i L j sin( β j .i − Φ 2 j ) + U jT j .i LT j .i sin( β j .i + ΨT j .i ) − U jW j .i +
(10)
+ G j L j cos(ϕ j − γ ) + U j G j L j cos( Φ j + ΨS j − γ )], ( j = 2,3,..., n )
Параметры сил сопротивления и движущих сил (силовые параметры) колес и рабочих органов в формулах (10) являются функциями углов δj.i. Имеем
T j .i = T j .i ( R j .i , α j .i , β j .i , ϕ j .i )
β j .i = β ' j .i −δ ' j .i (t ) , где β ' j.i = β max [1 − exp(−k β δ j.i / β max )] + Δβ j.i (t ) ,
j .i
j .i
j .i
2
где k β j .i = β1 j .i Pj .i + β 2 j .i Pj .i + ... ,
W j .i = Wmax j .i [1 − exp(−k w j .i δ j .i / Wmax j .i )] + ΔW j .i (t ) ,
2
где k w j .i = w1 j .i Pj .i + w2 j .i Pj .i + ... ,
ΔxT j .i = Δx 'T j .i cos(δ ' j .i (t )) , где
Δx 'T j .i = Δxmax j .i {1 − exp[ − k x j .i ( R j .i sin α ' j .i −T j .i sin β ' j .i ) / Δxmax j .i ]} ,
2
где k x j .i = x1 j .i Pj .i + x2 j .i Pj .i + ... ,
Δy j .i = Δx ' j .i sin(δ ' j .i (t )) .
(11)
131
(
)
R j .i = R 0 j . i r0 j . i + r1 j . i δ j .i + r2 j . i δ j2.i + ... + Δ R j .i (t ) ,
(
)
α j .i = α ' j .i −δ ' j .i (t ) , где α ' j .i = α 0 + α 1 δ j .i + α 2 δ j2.i + ... + Δα j .i (t ) ,
(
)
j .i
j .i
j .i
M j .i = M 0 j .i m 0 j .i + m1 j .i δ j .i + m 2 j .i δ j2.i + ... + ΔM j .i (t ) ,
Δx R j .i = Δx ' R j .i cos(δ ' j .i (t )) , где Δx'R j .i ≈ 0
(
(12)
)
Δy R j .i = Δy ' R j .i cos(δ ' j .i (t )) , где Δy ' R j .i = lо j .i y0 j .i + y1 j .i δ j.i + y2 j .i δ 2j.i + ... .
В формулах (11), (12) обозначено: δ′j.i(t) – законы поворота управляемых
колес и рабочих органов, Pj.i – вертикальная нагрузка на i-й рабочий орган, β1j.i,
β2j.i,…, w1j.i, w2j.i, …, x1j.i, x2j.i,…, r0j.i, r1j.i,…, α0j.i, α1j.i,…, m0j.i, m1j.i,…, y0j.i, y1j.i,…
- эмпирические коэффициенты пропорциональности, ΔR j .i (t ), Δα j .i (t ), ΔM j .i (t ) возмущающие воздействия.
Параметры движущих сил колес трактора в выражениях (11) зависят от
параметров сил сопротивления колес и рабочих органов. Определим модуль
движущих сил колес трактора, во-первых, из условия равновесия всех сил, действующих на агрегат. Для этого спроецируем все силы на ось O1Y1. Во-вторых,
учитываем тот факт, что на современных тракторах установлены дифференциальные механизмы, распределяющие крутящий момент на ведущие колеса
трактора равномерно. Отсюда, модуль движущих сил колес трактора
T1.i =
N
n
i =1
j =2
Σ [ R1.i cos α 1.i + Σ ( R j .i cos(α j .i + Φ1 j ) − T j .i cos( β j .i + Φ1 j ))]
, (j=1), (13а)
n1 cos β1.i
где n1 – количество ведущих колес трактора.
Модуль движущих сил рабочих органов орудий
T j .i = const , (j=2,3,…, n).
(13б)
Возмущающие воздействия ΔR j .i (t ), Δα j .i (t ), ΔM j .i (t ) на i-й рабочий орган можно представить в виде единичного импульса в точке приведения.
Функции ΔR j .i (t ), Δα j .i (t ), ΔM j .i (t ) запишем следующим образом:
Rmax j .i
ΔR j .i (t ) = 2 2
,
k пл Rmax j .i (t − tсдвиг ) 2 + 1
Δα j .i (t ) =
ΔM j.i (t ) =
α max j .i
2 2
k пл
α max j .i (t − tсдвиг ) 2 + 1
(14)
,
M max j .i
2
2
k пл
M max
(t − t сдвиг ) 2 + 1
j .i
, (j=1,2,…,n).
где kпл – коэффициент плавности импульса (kпл =102 … 104),
Rmax j .i ,α max j .i , M max j .i - максимальные значения возмущающих воздействий,
tсдвиг – сдвиг по времени начала возмущающего воздействия.
Для определения угла δ1.i найдем вначале абсолютную скорость т. D1.i в
плоскости XY (рис. 3):
132
r XY
r
rX Y
rX Y
V D = VOXY + VO 0 0 + V D 0 O0 ,
1 .i
0
1
1 .i 1
r XY
где VO - скорость т. О0 вместе с плоскостью
(15)
0
X0Y0 в плоскости XY (переносная), по модулю
VOXY = V0 , здесь V0 – скорость трактора;
0
rX Y
VO 0 0 - скорость т. О1 в плоскости X0Y0 (отно1
сительная),
rX Y
VO 0 0 - скорость т. D1.i вокруг т. О1 в плоско1
Рис. 3 План скоростей т. D1.i
X Y0
X
V D 1 .i = VOXY sin ϕ 1 − VO1 0
0
1 .i
сти X0Y0.
Затем спроецируем векторное равенство (15)
на оси координат X1.i и Y1.i, неподвижно связанные с
трактором. Имеем
X Y
cos ϕ1 + V D 0 O0 cos Ψ1 .i =
1 .i 1
= V0 sin ϕ1 − ϕ& 0 cos ϕ1 + ϕ&1 L D 1 .i cos Ψ1 .i ,
Y
X 0Y0
V D 1 .i = V OXY cos ϕ 1 − V O
0
1 .i
1
X 0Y0
1 . i O1
sin ϕ 1 + V D
sin Ψ i =
(15а)
= V 0 cos ϕ 1 − ϕ& 0 sin ϕ 1 + ϕ&1 L D 1 . i sin Ψ i .
Угол δ1.i равен
X
δ1.i = arctg
VD 1.i
1.i
Y1.i
VD
1.i
(16а)
.
Для управляемых колес (рабочих органов) трактора
X
δ1.i = arctg
VD 1.i
1.i
Y1.i
VD
i
+ δ '1.i (t ) .
(16б)
Для определения угла δj.i (j=2,3,…,n) найдем абсолютную скорость т. Dj.i
(рис. 4):
r
r
rX Y
rX Y
rX Y
rX Y
(17)
VDXY = VOXY + VO 0 0 + VO 0O 0 + VO' 0O0 + VD 0 O0' ,
j .i
0
j 1
1
j j
j .i
j
r
где VDX0YO0' - скорость т. Dj.i вокруг т. О’j в плоскости X0Y0.
j.i
j
Спроецируем векторное равенство (17) на координатные оси Xj.i и Yj.i.
Получим
X
X Y
X Y
X Y
X Y
VD j.i = VOXY sinΦ j − VO 0 0 cosΦ j − VO 0O 0 cos(Φ1 j − ΨOj ) − VO' 0O0 cosΦ2 j + VD 0 O0' cosΨD =
j.i
0
1
j 1
j.i
j j
j
j.i
& j LD cosΨj.i ,
= V0 sinΦ j − ϕ&0 cosΦ j − ϕ&1LO cos(Φ1 j − ΨOj ) − ϕ& j L j cosΦ2 j + Φ
j
Y j.i
X Y
j.i
X Y
X Y
X Y
VD = VOXY cosΦ j − VO 0 0 sin Φ j − VO 0O 0 sin(Φ1 j − ΨOj ) − VO' 0O0 sin Φ2 j + VD 0 O0' sin ΨD j.i =
j.i
0
1
j 1
j j
j.i
& j LD sin ΨD .
= V0 cosΦ j − ϕ&0 sin Φ j − ϕ&1LOj sin(Φ1 j − ΨOj ) − ϕ& j L j sin Φ2 j + Φ
j .i
j .i
j
(17а)
133
Угол δj.i равен
X j .i
δ j.i = arctg
VD
j .i
Y j .i
VD
+ δ ' j .i (t ) .
(18)
j .i
Рис. 4 План скоростей т. Dj.i
Нетрудно убедиться, что после подстановки полученных формул (11),…,
(18) в уравнения обобщенных сил (10) и далее в формулы (8) последние приобретают вид сложных трансцендентных функций Q j (t , ϕ&0 , ϕ&1 , ϕ& 2 ,..., ϕ 0 , ϕ1 , ϕ 2 ,...) ,
(j=0,1,2,…,n). Для решения, получающейся в результате, системы (8) дифференциальных уравнений аналитические методы не всегда оправданы. В этом
случае необходимо воспользоваться одним из численных методов расчета, например, методом Рунге-Кутта [3].
При заданных начальных условиях ϕ 0.0 , ϕ1.0 , ϕ 2.0 ,... , ϕ&0.0 , ϕ&1.0 , ϕ& 2.0 ,... ,
ϕ&&0.0 , ϕ&&1.0 , ϕ&&2.0 ,... решение системы (8) дает зависимость обобщенных координат
от времени: φj= φj(t), Φj=Φj(φ1, φ2,…), (j=0,1,2,…,n). Полагая φj= φj(t), Φj=Φj(φ1,
φ2,…) известными, найдем координаты интересующих нас т.т. О1, Dj.i в плоскости X0Y0. Имеем
ϕ0.O1 = ϕ0 ,
ϕ0.D1.i = LD1.i sin(ΨD1.i + ϕ1 ) ,
ϕ0.D j .i = LO j sin(ΨO j + ϕ1 ) + L j sin ϕ j + LD j .i sin(ΨD j .i + Φ j ) .
(20)
Отклонения Δϕ0(t) (возмущения) названных точек от заданной прямолинейной траектории определим из выражений:
Δϕ 0.O1 = ϕ 0 ,
Δϕ 0.D1.i = ϕ 0 + LD1.i [sin(ΨD1.i + ϕ1 ) − sin(ΨD1.i + ϕ1.0 )] ,
Δ
0. D j . i
=
0
+ L O j [sin( ΨO j +
1
) − sin( ΨO j +
+ L D j.i [sin( ΨD j.i + Φ j ) − sin( ΨD j.i + Φ j )].
1. 0
)] + L j (sin
j
− sin
j.0
)+
(21)
134
Построенные по уравнениям (20) или (21) графики в функции времени показывают траектории интересующих нас точек по неподвижной плоскости XY.
Это дает возможность наглядно оценить характер возмущенного движения
КМТА и отдельных его звеньев.
Несмотря на большой объем счетной работы, современные вычислительные средства позволяют моделировать колебания КМТА в режиме реального
времени. Это дает возможность на стадии проектирования, минуя полевые испытания, оптимальным образом обосновать параметры КМТА, включая тяговое
средство, схему и размеры присоединительных устройств, компоновку машин,
орудий и их рабочих органов, в том числе фронтальных, боковых и задненавесных.
Библиографический список
1. Бартенев, И. М. Перспективные конструкции тракторов для лесного
комплекса [Текст] / И. М. Бартенев, В. А. Борисенков// Лесное хозяйство. 1994.
№ 3. - С. 45-47.
2. Донцов, И. Е. Влияние параметров навески на устойчивость прямолинейного неуправляемого движения фронтального орудия [Текст] / И. Е. Донцов// Агрегатирование сельскохозяйственной техники: Сб. науч. трудов / НПО
ВИСХОМ. - М.: НПО ВИСХОМ, 1989. – С. 28-34.
3. Корн, Г. Справочник по математике для научных работников и инженеров [Текст]: перевод с англ. под общей редакцией И. Г. Арамановича / Г.
Корн, Т. Корн. – М.: Изд-во Наука, 1968. – 720 с.
135
УДК 630*377.45+621.8-82
ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ДЕМПФЕРА
ГИДРОПРИВОДА ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ
МАНИПУЛЯТОРНОГО ТИПА ЛЕСОВОЗНОГО АВТОПОЕЗДА
З.К. Емтыль, П.И. Попиков, Л.Д. Бухтояров, А.А. Сидоров
Воронежская государственная лесотехническая академия
Рассмотрена конструктивная схема нового демпфирующего устройства, на основании
которой составлена и решена математическая модель, подтверждающая теоретические исследования с экспериментальными данными.
Для снижения динамических нагрузок при остановках движущихся масс
стреловой группы манипулятора в процессе подъема или опускания применяются различные демпферные устройства. Принцип работы большинства таких
устройств основан на запирании небольшого объема рабочей жидкости в конце
хода поршня, которая вытесняется через дроссельное отверстия [3].
Нами разработаны новые конструкции демпфирующих устройств [1;2], которые обеспечивают демпфирование не только в конце хода поршня, но и при остановках поршня в любых промежуточных положениях, предусмотренных рабочим
процессом манипулятора. На рис. 1 изображена гидрокинематическая схема манипулятора с подключением демпфера в гидропривод механизма подъема стрелы.
При остановке манипулятора в процессе подъема груза, золотник распределителя
устанавливается в нейтральное положение. Стреловая группа манипулятора с грузом некоторый момент времени продолжает перемещаться вверх со скоростью:
dS
dφ
V1 = 1 = b1 sin β1 c ,
(1)
dt
dt
где b1; β1; φс – параметры манипулятора рисунок 1.
При этом вытесняется некоторый объем жидкости в единицу времени из
штоковой полости [3]:
dφ
π 2
2
Q1 = d nc
b1 sin β1 c .
− d шт
(2)
4
dt
Величину этого расхода жидкости при запертых полостях гидроцилиндра
принимаем равным сумме расходов на деформацию упругих элементов Q2
утечки рабочей жидкости в гидросистеме Q3 и на перемещение плунжера
демпфера Qдем, т.е.:
Q1 = Q2 + Q3 + Qдем ;
(3)
dP
Q2 = K p 2 ,
(4)
dt
где Kp – коэффициент податливости рабочей жидкости упругих элементов гидропривода определяется экспериментально:
(
©
)
Емтыль З.К., Попиков П.И., Бухтояров Л.Д., Сидоров А.А., 2007
136
10 -5
, м5/Па;
Kp =
7,28 ⋅ P + 106
Q2 = a y P2 ,
где
(5)
3
ay – коэффициент утечек, м /(с·Па);
Р2 – давление рабочей жидкости в штоковой полости гидроцилиндра, Па.
Рис. 1 Гидрокинематическая схема манипулятора
Расход рабочей жидкости, проходящей через демпфер из штоковой полости в поршневую:
πd 2
2(P2 − P1 )
.
Qдем = 01 μ
(6)
4
ρ
где d01 – диаметр отверстия дроссельного клапана, соединенного с поршневой
полостью гидроцилиндра;
P2, P1 – давление в поршневой и штоковой полости гидроцилиндра стрелы, Па;
ρ - плотность рабочей жидкости, кг/мЗ;
μ – коэффициент расхода рабочей жидкости через дроссельное отверстие.
Мгновенный расход демпфера можно выразить также через его конструктивные параметры:
2
πd пл
dh
⋅ .;
(7)
Qдем =
4 dt
где h – величина хода плунжера, м;
d - диаметр плунжера.
Объем полости демпфера
2
π ⋅ d пл
M дем =
⋅ h.
(8)
4
Следовательно, уравнение расходов рабочей жидкости при остановке
поршня гидроцилиндра в промежуточном положении, обусловленным рабочим
процессом манипулятора при подъеме груза будет иметь вид
(
)
137
2
2
2
πd 01
dPпс π ⋅ d пс
dφc
− d шт
2(P2 − P1 )
Kp
b1 sin β1
.
=
− a y Pпс −
⋅μ
(9)
4
dt
dt
4
ρ
В процессе остановки поршня гидроцилиндра при опускании стреловой
группы манипулятора в демпфер вытесняется из поршневой полости объем
жидкости, соответствующий элементарному перемещению поршня равному dS:
2
πd пс
dφ
⋅ b1 sin β1 c .
(10)
Q4 =
4
dt
Тогда уравнение расходов рабочей жидкости при остановке поршня гидроцилиндра в процессе опускания стреловой группы будет иметь вид:
2
2
πd 01
dPпс
π ⋅ d пс
dφc
2(P2 − P1 )
Kp
b1 sin β1
.
=−
− a y P2 −
⋅μ
(11)
4
dt
dt
4
ρ
Дифференциальное уравнение движения стреловой группы манипулятора
при подъеме груза с учетом инерционных сил имеет вид [3]:
2
2
π ⋅ d пс
dφ
2 d φпс
J c + ml
=
Pпс b1 sin β1 c − g (ml + mc l ЦМС )cos(φ1c + δ ).
(12)
2
dt
4
dt
При опускании груза в момент остановки стреловой группы дифференциальное уравнение будет следующее:
2
2
π ⋅ d пс
dφc
2 d φпс
(
)
(
)
=
+
+
−
(13)
J c + ml
cos
sin
.
g
ml
m
l
φ
δ
P
b
β
c ЦМС
пс 1
1c
1
4
dt
dt 2
Колебания стреловой группы при остановке поршня гидроцилиндра в
промежуточном положении может быть описано следующими дифференциальными уравнениями:
при остановке поршня на подъеме груза:
2
2
⎫
π ⋅ d пс
dφc
2 d φпс
(
)
(
)
J c + ml
=
P
b
β
−
g
ml
+
m
l
φ
+
δ
sin
cos
⎪
пс 1
c ЦМС
1
1c
dt
4
dt 2
⎪
⎬. (14)
2
2
2
dPпс π ⋅ d пс − d шт
dφc
πd 01
2(Pпс − P2 ) ⎪
Kp
=
b1 sin β1
− a y Pпс −
⋅μ
⎪⎭
dt
dt
ρ
4
4
при остановке поршня на опускании груза:
2
2
π ⋅ d пс
dφc ⎫
2 d φпс
(
)
(
)
=
+
+
−
J c + ml
g
ml
m
l
φ
δ
P
b
β
cos
sin
⎪
c ЦМС
1c
пс 1
1
dt ⎪
4
dt 2
⎬. (15)
2
2
dPпс
π ⋅ d пс
dφc
πd 01
2(Pпс − P2 )
⎪
Kp
=−
b1 sin β1
− a y P2 −
⋅μ
⎪⎭
dt
dt
ρ
4
4
Сравнение наших теоретических исследований с экспериментальными данными подтверждает эффективность защиты гидросистем от перегрузок предлагаемой схемой демпфирования и может заинтересовать специалистов. Простота
конструкции демпфера, сокращение количества агрегатов в гидроприводе, ликвидация сливных магистралей при отказе от предохранительных клапанов - все эти
моменты, на наш взгляд, достаточно привлекательны как при разработке новых
гидросхем, так и при модернизации существующих лесных машин.
(
)
(
)
(
)
(
(
)
)
138
Для решения данной математической модели составлена программа на
ЭВМ и получена зависимость давления рабочей жидкости от времени при подключении демпфера в гидропривод механизма подъема стрелы
P, Па
t, c
Рис. 2 Зависимость давления рабочей жидкости от времени при подключении демпфера в гидропривод механизма подъема стрелы
Из рис. 2 видно, что при остановке поршня гидроцилиндра в промежуточных
положениях происходит демпфирование колебания давления рабочей жидкости.
Нарастание давления происходит более плавно и достигает максимального значения за 2,2 с и за такое же время уменьшается до минимальных значений.
Сравнение наших теоретических исследований с экспериментальными
данными подтверждает эффективность защиты гидросистем от перегрузок предлагаемой схемой демпфирования и может заинтересовать специалистов. Простота конструкции демпфера, сокращение количества агрегатов в гидроприводе, ликвидация сливных магистралей при отказе от предохранительных клапанов - все
эти моменты, на наш взгляд, достаточно привлекательны как при разработке новых гидросхем, так и при модернизации существующих лесных машин.
Библиографический список
1. Бартенев, И. М. Исследование динамической нагруженности гидравлического манипулятора и обоснование целесообразности совмещения операций
подъема стрелы и вращения рукояти [Текст] / И. М. Бартенев, З. К. Емтыль, П. И.
Попиков // Тр. физ. о-ва. Респ. Адыгея. Майкоп. 1997. Вып. 2, - С. 96-114.
2. Нартов, П. С. Гидропривод лесохозяйственных машин [Текст]: учеб.
пособие / П. С. Нартов, П. И. Попиков. - Воронеж, 1978. - 112 с.
3. Попиков П. И. Обоснование параметров демпферов гидропривода механизма подъёма стрелы манипулятора [Текст] / П. И. Попиков, М. В. Драпалюк, А. А. Сидоров // Межвузовский сб. науч. трудов Математическое моделирование, компьютерная оптимизация технологий параметров оборудования и
систем управления / под ред. проф B.C. Петровского Воронеж ВГЛТА 2005
Вып 10 – С. 172-176.
139
УДК 630.241
ПРОБЛЕМЫ И ПЕРСПЕКТИВЫ МЕХАНИЗАЦИИ
ОСВЕТЛЕНИЯ В ЛЕСНЫХ КУЛЬТУРАХ, СОЗДАВАЕМЫХ НА
ВЫРУБКАХ
М.В. Лушников
Саратовский государственный аграрный университет им. Н.И. Вавилова
Рассматривается причина низкого уровня механизации работ по осветлению лесных
культур на вырубках. Для производительного и эффективного осветления лесных культур
предлагается использование ротационно-консольного кустореза с ударно-режущими рабочими органами.
Разработки новых систем устойчивого управления лесами подразумевает
такое ведение лесного хозяйства и такой характер использования лесных ресурсов, которые позволяют сохранить не только продуктивность лесов, но и их
экологические функции, эстетическую и рекреационную ценность, биологическое и ландшафтное разнообразие.
В подпрограмме «Леса» федеральной целевой программы «Экология и
природные ресурсы России (2002 - 2010 годы)» прогнозируется стабилизация
объемов лесохозяйственных мероприятий при существенном улучшении их качества и повышении эффективности.
К 2010 году в целях улучшения качества лесного фонда предусматривается осуществить лесовосстановление на площади 6900 тыс. гектаров, лесоразведение на площади 160 тыс. гектаров, ввод молодняков в категорию ценных
лесных насаждений на площади 9500 тыс. гектаров [3].
Однако при планировании роста объемов лесовосстановительных работ
на вырубках необходимо учитывать проведение своевременного лесоводственного ухода, ход возобновительных процессов на вырубках, а также наличие материально-технических и трудовых ресурсов.
Низкая эффективность лесных культур на вырубках - низкий уровень механизации лесоводственных уходов за культурами, в первую очередь - осветления (высокий процент гибели культур из-за заглушения нежелательной древесной и кустарниковой растительностью) [1, 2].
«Рубки ухода в молодняках до сих пор остаются самым слабым звеном в системе лесного хозяйства, ограничивая возможности лесовыращивания в целом»[4].
В практике рубок ухода необходимо вырабатывать и применять эффективные технологии уходов за молодняками и создавать соответствующие им машины.
Проводимые научно-исследовательские и опытно конструкторские работы по механизации рубок ухода за молодняками направлены на разработку и совершенствование технологий и системы машин для ухода за рядовыми культурами на вырубках и для ухода за чистыми рядовыми культурами. Создание
©
Лушников М.В., 2007
140
«организованных насаждений» при лесовосстановлении облегчает комплексную механизацию рубок ухода.
Решение вопросов механизации работ по уходу за культурами, создаваемых на вырубках, в настоящее время затруднено тем, что большинство технологий создания культур в лесостепной и степной зонах не рассчитаны на применение в работах по их осветлению тракторных агрегатов.
Лесоводственный уход за культурами можно эффективно механизировать
при помощи различных конструкций кусторезов-осветлителей и катков, но для
этого необходимо разработать и внедрить перспективную технологию лесовосстановления, которая предусматривала бы комплексную механизацию всего
процесса создания и выращивания леса.
На вырубках лесостепной и степной зон Поволжья в настоящее время развиваются технологии создания культур с применением прямолинейной узкополосной (1,5-2,5м) раскорчевки или расчистки от порубочных остатков, валежника
и мелких пней [5]. В них предусматривается строгое соблюдение прямолинейности рядов и расстояния между рядами в зависимости от типа культур. Расстояние
между центрами раскорчеванных полос принимается от 2,5м до 6 м.
Таким образом, наиболее оптимальной и проверенной, с лесоводственной
стороны, является технология выращивания лесных культур на вырубках по коридорному методу, соответствующая конкретным лесорастительным условиям, а
технические средства должны быть ориентированны на данную технологию.
Для проведения механизированного осветления в молодняках существуют различные машины и механизмы. Все средства механизации для проведения
осветления в молодняках делятся на две группы:
1) ручные моторизованные инструменты;
2) машины и орудия, агрегатируемые с тракторами (для работ в междурядьях культур).
К ручным моторизованным инструментам относятся: бензосучкорезки,
мотокусторезы, мотосекаторы.
Широкое применение ручные моторизованные инструменты находят при
рубках ухода в естественных молодняках, на небольших лесокультурных площадях, берегах водоемов и рек, овражно-балочных склонах, в горных условиях
и т. д., где использование тракторных агрегатов невозможно, а иногда нецелесообразно. Однако, применение механизмов такого типа из-за малой производительности не может обеспечить уходы за молодняками в необходимых объемах. Также, оператор подвержен ряду неблагоприятных факторов (шум, вибрации, выхлопные газы, статистическая нагрузка).
Перспектива комплексной механизации работ в молодняках намечается
путем применения тракторных кусторезов и машин [5].
Создано три типа машин, отличающихся характером воздействия на
уничтожаемую древесную растительность:
1) кусторезы-осветлители для срезания древесной поросли в междурядьях
культур с укладкой ее на землю (КОГ-2,3; КОН-2,3; КОМ-2,3; КО-1,5; КФМ2,8; КЛН-1,2; КАР- 1,2; МСК-1); для уничтожения поросли и корней, с одновременной обработкой почвы применяются специальные фрезы: унифициро-
141
ванная фреза ФЛУ-0,8; шнековая ФЛШ-1,2; болотная ФБН-1,5; ФБН-2,0; ФБ2,0, из зарубежных конструкций фрез, известны фрезы фирмы «Nicolas» [2].
2) кусторезы-измельчители для срезания и измельчения надземной части
поросли с разбрасыванием щепы по площади (РКР-1,5);
3) отвальные кусторезы, бульдозеры и ножевые катки для перерезания и
прижимания поросли к земле (отечественного производства: ДП-24 отвальных
кусторезов с V-образным ножом, МП-9 одноотвальный кусторез-корнеплуг,
КУК-2; КОК-2; КОК-2А; зарубежного производства Rome K/G, Fleko, OwensJohnson Shearing Blad, модели самоходных машин - G-40, G-80, G-175u, Le
Teocruher фирмы Le Teocruher (США), катки фирмы Fleco (США) [5].
Проведенный нами анализ состояния механизации осветления лесных
культур, создаваемых на вырубках позволил установить:
Применение вышеперечисленных кусторезов затруднено или исключается, вследствие невозможности движения машино-тракторного агрегата (МТА)
по кулисе из-за наличия высоких пней, захламленности порубочными остатками, валежником.
Применение фрез затруднено из-за невозможности поворота режущего
аппарата в вертикальной плоскости, что затрудняет регулирование высоты среза растительности и приспособление к неровностям рельефа.
Недостатком отвальных кусторезов с ножом, установленным под углом к
направлению движения (одноотвальных), является разворот базовой машины в
сторону от поперечной составляющей силы резания. Для выдерживания заданного направления движения машины требуется постоянное управление фрикционами трактора, что усложняет работу. Недостатком двухотвального является то, что срезанная растительность сваливается по обе стороны от кустореза,
что существенно затрудняет последующие проходы и уборку растительности
(возможно повреждение лесных культур срезанной растительностью).
При разработке технологии и машин для осветления лесных культур, создаваемых без предварительной раскорчевки территории, надо учесть следующие лесотехнические требования, необходимые для успешной работы кустореза - осветлителя: необходимо исключить движение машино-тракторного агрегата по кулисам, кусторез должен иметь активный рабочий орган и агрегатироваться с тракторами общего назначения, обладать высокой производительностью. Для производительного и эффективного осветления лесных культур
предлагается использование ротационно-консольного кустореза с ударнорежущими рабочими органами по следующей схеме (см. рисунок).
Работа кустореза при осветлении осуществляется следующим образом.
Машинист перед началом работы устанавливает угол среза поросли положением консольно расположенного режущего аппарата относительно поверхности
почвы. Затем включается привод рабочих органов и осуществляется движение
трактора. При работе кустореза в данном режиме срезание осуществляется подачей рабочего органа движением трактора.
Высоту срезания поросли на вырубке можно регулировать гидроцилиндром за счет увеличения угла наклона рабочего органа.
142
Рисунок Технологическая схема осветления культур,
создаваемых на вырубках
Применение данной технологии и ротационно-консольного кустореза позволяет качественно и эффективно проводить осветления лесных культур, создаваемых на вырубках.
Библиографический список
1. Алентьев, П. Н. Формирование культур дуба [Текст] / П. Н. Алентьев //
Лесное хозяйство. 1990. №1. – С. 30-33.
2. Бартенев, И. М. Котляр Г. Л. Машины и механизмы для рубок ухода:
современный технический уровень [Текст] / И. М. Бартенев, И. М. Котляр //
Лесное хозяйство. 1992, №2-3. - С. 48-50.
3. Концепция развития лесного хозяйства Российской Федерации на 2003 - 2010
годы. Распоряжение Правительства Российской Федерации от 18 января 2003 г. № 69-р.
4. Ларюхин, Г. А. Механизация лесного хозяйства и лесозаготовок [Текст] / Г.
А. Ларюхин, Л. С. Златоустов, В. С. Раков - 3-е изд., перераб. и доп. - М.: Агропромиздат, 1987.
5. Цыплаков, В. В. Состояние вопроса механизации осветления в культурах, создаваемых на вырубках без предварительной корчевки пней / В. В. Цыплаков, М. В.
Лушников. - Проблемы лесного комплекса России в переходный период развития экономики: Материалы Всерос. науч.-техн. конференции. – ВоГТУ. Вологда, 2003. – С. 1419.
143
УДК 621.879.322
УСОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ КИНЕМАТИЧЕСКОЙ СХЕМЫ
СТРЕЛОПОДЪЕМНОГО МЕХАНИЗМА ГИДРАВЛИЧЕСКОГО
ЭКСКАВАТОРА В УСЛОВИЯХ ЛЕСНОГО КОМПЛЕКСА
В.Н. Макеев, Д.Д. Плешков, А.А. Сидоров
Воронежская государственная лесотехническая академия
Проведен анализ конструкций стрелоподъемных механизмов (СПМ) гидравлических
экскаваторов. Установлено, что наиболее эффективное использование гидравлических экскаваторов сдерживается постоянными параметрами СПМ. Для решения задачи максимального использования гидравлических экскаваторов, с целью увеличения их производительности,
предлагается изменение кинематической схемы СПМ с использованием дополнительного
звена.
Для обеспечения ритмичной работы лесозаготовительных предприятий в
современных условиях в первую очередь необходимо строгое соблюдение схемы транспортного освоения лесных массивов и, прежде всего исполнение необходимого объема строительства лесовозных дорог.
Для строительства и эксплуатации лесовозных дорог в лесном комплексе
используется большое количество специализированной и дорожностроительной техники. Темпы и качество выполнения земляных работ, производительность труда на них в значительной степени зависят от технического
уровня средств механизации и степени использования соответствующей техники. При этом использование экскаваторов, как на земляных, так и на других
работах в дорожном строительстве является неотъемлемой частью обоснования
технологии и организации этих работ и обеспечения качественного проведения
различных мероприятий, связанных с деятельностью предприятий лесного
комплекса.
Однако наиболее эффективное использование гидравлических экскаваторов сдерживается постоянными параметрами кинематической схемы стрелоподъемного механизма (СПМ) для всех видов рабочего оборудования.
Исходя из анализа конструкций СПМ, установлено [1]:
1) в настоящее время гидроцилиндры подъема стрелы на отечественных и
зарубежных экскаваторах имеют постоянное место присоединения к платформе;
2) известные СПМ, которые серийно выпускаются промышленностью, не
решают задачи изменения своих параметров в зависимости от эксплуатационных условий;
©
Макеев В.Н., Плешков Д.Д., Сидоров А.А. 2007
144
3) разработанные, но не получившие широкого применения, СПМ решают
задачи: перевода экскаватора с одного вида рабочего оборудования на другое;
изменения вылета стрелы и т.п;
4) в конструкциях с нестандартными СПМ, позволяющими увеличить
глубину и радиус черпания грунта, присутствует существенный недостаток –
резко снижается устойчивость экскаватора и соответственно возрастает риск
опрокидывания;
5) СПМ, не изменяющий своих параметров в зависимости от вида применяемого рабочего оборудования и параметров эксплуатационного фона, является тормозом на пути эффективного использования имеющегося потенциала
экскаватора.
В связи с вышеизложенным возникает целесообразность создания СПМ,
который обеспечит изменение кинематических параметров в зависимости от
вариации рабочего оборудования, зон разработки и выгрузки грунта.
Для решения задачи максимального использования СПМ в зависимости от
вида рабочего оборудования и эксплуатационного фона предлагается использование дополнительных звеньев (элементов или механизмов) в СПМ для изменения вылета рабочего оборудования, увеличения глубины копания (обратная
лопата), увеличение высоты копания (выгрузки – прямая лопата). Включение
дополнительных звеньев в СПМ позволяет переносить точку крепления гидроцилиндра стрелы относительно платформы экскаватора, тем самым, увеличивая
подъемную составляющую гидроцилиндра стрелы[2,3].
Для более наглядного рассмотрения вопроса определения параметров
СПМ составим его кинематическую схему (рис. 1).
Рис. 1 Кинематическая схема СПМ содержащая дополнительное звено
Приведем дифференциальное уравнение движения стрелы[4]:
(Jc + ml) ⋅ ε + g ⋅ (ml + m с lс ) ⋅ cosϕ = F ⋅ b ⋅ sinα ,
где Jc – момент инерции стреловой группы относительно шарнира О, кгм;
ε - угловое ускорение стрелы;
145
m – масса груза, кг;
mc – масса стреловой группы, м;
l – вылет рабочего оборудования экскаватора, м;
lc - расстояние от шарнира О до центра масс стреловой группы, м;
b – расстояние от шарнира О до точки крепления гидроцилиндра к стреле,
м;
F – усилие развиваемое гидроцилиндром подъема стрелы, Н.
Решаем данное уравнение, используя программу MATHCAD, для этого
получено соответствующее выражение для определения усилия на штоке гидроцилиндра.
(
F
i, j
:=
)
i
)
π
γ :=
a := 0.5 + 0.25⋅ i
j := 0 .. 6
1 .10
(
a ⋅ b ⋅ sin γ + φj
i := 0 .. 2
i
2
⎡ Jc + m⋅ l2 ⋅ ε + g⋅ ( m⋅ l + mc⋅ lc) ⋅ cos ( φj)⎤ ⋅ a 2 + b2 − 2⋅ a ⋅ b ⋅ cos ( γ + φj)
⎣
⎦ ( i)
i
4
φj :=
π⋅ j
18
6
5
5 .10
F0 , j
5
4 .10
F 1 , j 5 .105
Fi , 6
5
3 .10
F2 , j
0
5
0
20
40
⎛ 180 φ⎞
⎜
⎟
⎝ π ⎠j
60
2 .10
0.5
0.7
0.9
ai
Рис. 2 Графики изменения усилия на штоке гидроцилиндра
Исходя из приведенных графиков, можно сделать соответствующие выводы, что при увеличении параметра а требуется меньшее усилие, развиваемое
гидроцилиндром для подъема (опускания) стрелы, соответственно процесс разработки грунта становиться менее энергоемким. При подъеме стрелы экскаватора на угол 600 относительно оси ОХ (рис.1) у машин со стандартным местом
крепления гидроцилиндра подъема стрелы к платформе происходит резкое падение усилия, однако при увеличении параметра а прослеживается более равномерное изменение усилия во всем диапазоне углов. Все это говорит о положительном эффекте переноса точки крепления гидроцилиндра СПМ экскаватора относительно платформы.
146
Таким образом, применение дополнительного звена в виде кронштейна
для изменения параметров СПМ благотворно сказывается на общей работе экскаватора. За счет переноса точек крепления гидроцилиндров поворота стрелы к
платформе экскаватора в СПМ осуществляется изменение (увеличение) вылета
рабочего оборудования, что способствует увеличению глубины (высоты) копания и способствует повышению производительности[3].
На основании вышеизложенного нами предлагается конструкция СПМ
(рис. 3), содержащая дополнительное звено – съемный кронштейн треугольной
формы, один конец которого с помощью болтового соединения связан с платформой экскаватора, а другой шарнирно соединен с гидроцилиндром поворота
стрелы.
При использовании экскаватора с оборудованием типа прямая лопата, которое предназначено для разработки грунта, находящегося выше плоскости
опоры экскаватора, кронштейн устанавливается на платформу в положение I
при котором обеспечивается необходимый угол γ качания стрелы 4 для охвата
зоны работы с данным оборудованием и возможно больший угол α между
стрелой 4 и цилиндром ее поворота 3. При установке на экскаватор рабочего
оборудования типа обратная лопата, которое предназначено для разработки
грунта ниже плоскости опоры экскаватора, кронштейн 2 устанавливается на
платформу в положение II, которое обеспечивает необходимый угол поворота
ϕ стрелы 4 для охвата зоны работы с этим рабочим оборудованием и возможно
больший угол β между стрелой 4 и цилиндром ее поворота в нижней части
этой зоны, при данном ходе поршня цилиндра.
Рис. 3 Конструкция СПМ содержащая съемный кронштейн
147
Крепление кронштейна к платформе экскаватора достаточно простое
(рис. 4). Отвернув болтовые соединения 6 и отсоединив гидроцилиндр поворота
стрелы, осуществляем поворот кронштейна на 1800 и соответственно переход
экскаватора с одного вида рабочего оборудования на другой. За счет того, что
кронштейн посажен (зацентрован) на бобышке 5, которая является частью
платформы, облегчается прикрепление кронштейна после поворота.
Рис. 4 Крепление кронштейна к платформе экскаватора
Размеры кронштейна выбираются для каждой модели экскаватора отдельно, исходя из требуемых углов поворота стрелы и обеспечения при этом возможно больших углов между стрелой и цилиндром ее поворота, а также конструктивных возможностей.
Библиографический список
1. Плешков, Д. Д. Оценка на универсальность конструкций стрелоподъемных механизмов одноковшовых гидравлических экскаваторов применяемых в
лесном комплексе [Текст] / Д. Д. Плешков ; Воронеж. гос. лесотехн. акад. Воронеж, 2005. -15 с. Деп. в ВИНИТИ, 22.07.05, №1072 – В2005.
2. Макеев, В. Н. Возможные пути повышения производительности и
уменьшения энергоемкости гидравлических экскаваторов применяемых при
строительстве лесовозных дорог [Текст]/ В. Н. Макеев, Д. Д. Плешков; Воронеж. гос. лесотехн. акад. Воронеж, 2005. -10 с. Деп. в ВИНИТИ, 22.07.05,
№1073 – В2005.
3. Макеев В. Н. Влияние конструкции стрелоподъемных механизмов на
энергоемкость гидравлических экскаваторов при строительстве лесовозных дорог [Текст] / В. Н. Макеев, Д. Д. Плешков; Воронеж. гос. лесотехн. акад. Воронеж, 2006. -13 с. Деп. в ВИНИТИ, 27.03.06, №315 – В2006.
4. Попиков, П. И. Проектирование самоходных лесных машин: Тексты
лекций / П. И. Попиков, Л. Д. Бухтояров; ВГЛТА - Воронеж: 2002. - 90 с.
148
УДК 630*:65.011.54
ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ
ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩЕЙ СИСТЕМЫ НА ЛЕСНОМ
ПОЧВООБРАБАТЫВАЮЩЕМ АГРЕГАТЕ
В.И. Посметьев, Е.А. Тарасов
Воронежская государственная лесотехническая академия
Определен конструктивный объем пневмогидроаккумулятора, достаточный для удовлетворительной работы имеющихся на лесном почвообрабатывающем агрегате гидродвигателей. Проведен анализ эффективности каждой из предлагаемых рекуперативных систем. Установлено, что наиболее существенное
влияние на экономию топлива оказывает рекуперативная система подвески ходовой части трактора.
При работе на лесных вырубках почвообрабатывающее орудие, ходовая часть
и навесной механизм трактора постоянно подвергаются знакопеременным нагрузкам
вследствие наличия большого числа препятствий в виде пней, крупных корней и
камней, а также неровностей поверхности. Поэтому для повышения экономической
эффективности целесообразно оснащать лесные почвообрабатывающие агрегаты
(ЛПА) системами рекуперации энергии (РС). Для определения наибольшего эффекта
от предлагаемого рекуперативного гидропривода ЛПА в составе серийных трактора
75М и дискового культиватора КЛБ-1,7 (рис. 1) рассчитаем суммарный оптимальный маневровый Vм и конструктивный Vк объемы пневмогидравлического аккумулятора (ПГА).
1
11
12
2
16
15
14
4
5
6
7
8
9
10
3
13
Рис. 1 Почвообрабатывающий агрегат с дисковым культиватором:
1 – трактор; 2 – лесной дисковый культиватор с гидравлическим предохранителем; 3 –
звенья механизма навески трактора; 4 – опорный каток; 5 и 6 – внешний и внутренний
балансиры каретки; 7 и 8 – оси качания внутреннего и внешнего балансиров; 9 – пружина; 10 – гидроцилиндр навесного механизма; 11 – автоматическая сцепка; 12 – рама
культиватора; 13 – дисковая батарея; 14 – поворотная стойка дисковой батареи; 15 –
рамка дисковой батареи; 16 – гидроцилиндр предохранителя культиватора
©
Посметьев В. И., Тарасов Е. А., 2007
149
В предложенной схеме гидропривода представлены три РС: предохранительный механизм почвообрабатывающего орудия, навесной механизм и ходовая часть трактора. В гидропривод входят также секция стандартного гидрораспределителя и насосно-аккумуляторный узел. Принцип работы всех РС основан на насосном эффекте, проявляемом при функционировании их гидроцилиндров с помощью системы дросселей и обратных клапанов (рис. 2) [1].
Первая из перечисленных РС рекуперирует энергию при движении ЛПО на лесных объектах, когда агрегат неизбежно испытывает значительные вертикальные нагрузки и перемещения. При этом последние поглощаются упругой системой ходовой
части трактора и, в частности, его амортизаторами. В этом случае аккумулирование рабочей жидкости в пневмогидравлическом аккумуляторе (ПГА) случае осуществляется с
помощью амортизаторов, дросселей и обратных нормально закрытых клапанов.
6
7
10
22
19
14
23
11
21
12
15
16
17
13
8
24
20
18
25 26
27
9
1
2
3
4
5
28
Рис. 2 Схема гидропривода почвообрабатывающего агрегата с рекуперативными системами энергосбережения в положении “Нейтральное” гидрораспределителя
навесного механизма:
1 … 3 – системы рекуперации, соответственно подвески трактора, предохранителя
почвообрабатывающего орудия, навесного механизма трактора; 4 – гидрораспределитель; 5 – насосно-аккумуляторный узел; 6 – амортизаторы; 7 и 21 – дроссели нерегулируемые; 8, 9, 11, 13, 16, 17 и 26 – клапаны обратные; 10 – гидроцилиндр предохранителя рабочих органов навесного орудия; 12 – дроссель регулируемый; 14 – гидроцилиндр
навесного механизма; 15 – мультипликатор давления; 18 – гидрораспределитель; 19 –
клапан переливной; 20 – клапан предохранительный; 22 – манометр; 23 – пневмогидроаккумулятор; 24 – клапан “ИЛИ”; 25 – фильтр; 27 – насос; 28 – гидробак
Вторая РС аккумулирует энергию, затрачиваемую трактором на преодоление рабочими органами почвообрабатывающего орудия неперерезаемых препятствий (пней,
валунов, крупных корней и т. п.). При этом стойка с рабочими органами отклоняется
вверх относительно рамы орудия, а поршень гидроцилиндра предохранительного механизма вытесняет рабочую жидкость в ПГА. После преодоления рабочими органами препятствия поршень гидроцилиндра возвращается в исходное состояние под воздействием
150
ранее запасенной энергии в ПГА, причем, вытесненная ранее рабочая жидкость компенсируется в гидроцилиндре предохранительного механизма с помощью насоса (рис. 2).
Третья РС обеспечивает возвращение энергии в ПГА при демпфировании
гидропривода навесного механизма, когда гидрораспределитель установлен в
положения "Нейтральное" или "Опускание". Здесь роль насосного узла выполняет подпружиненный мультипликатор давления.
Все три рассмотренные РС гидравлически связаны как с насосом, так и с
ПГА. Это обеспечивает надежную работу всего гидропривода ЛПА, независимо
от функционирования как совместного, так и каждого РС автономно.
Важным достоинством предлагаемых РС является простота конструкций,
отсутствие оригинальных деталей и узлов, а также легкость компонования их
на традиционных ЛПА (рис. 1).
Результаты проведенных нами исследований по расчету основных параметров
ПГА и определению эффективности каждой из рассмотренных РС сведены в табл. 1.
Таблица 1
Результаты расчета основных параметров ПГА каждой из систем рекуперации
энергии
Рекуперативные системы
почвообрабатывающего агрегата
Параметр
Общая длина мерного пути, м
Общее число циклов работы гидроцилиндров
Объем выталкиваемой в ПГА жидкости гидродвигателем при каждом цикле, дм3
Объем требуемой жидкости на совершение работы
гидродвигателем, дм3
Маневровый объем ПГА VM , дм3:
необходимый
рекуперируемый
Собственное соотношение рекуперации
энергии, %
Конструктивный объем ПГА V K , дм3
навесной
механизм
Предохранительный
механизм
Ходовая
часть
5000
34
5000
36
5000
216
0,22
1,32
0,34
2,37
1,32
0
80,58
7,48
47,52
38,02
0
73,40
9,28
154,0
80
97,0
100
161,5
Из таблицы следует, что эффект рекуперации гидравлической энергии в
разной степени присутствует в каждой из рассмотренных ранее РС. При этом гидроцилиндр навесного механизма и гидроцилиндр предохранительного механизма
почвообрабатывающего орудия являются одновременно как потребителями, так и
источниками гидравлической энергии. Гидроцилиндры ходовой части, напротив,
являются только источниками энергии и в состоянии рекуперировать часть энергии в ПГА, а также периодически отключать насос гидросистемы трактора.
Определение параметров ПГА применительно к ЛПА в целом предлагается определять следующим образом. Диапазон рабочих давлений P1 … P2 принимаем из ус-
151
ловия минимального давления, необходимого одновременно для обеспечения нормальной работы гидродвигателей навесного и предохранительного механизма, т. е. 6
… 11 МПа. Из условия наименьшего конструктивного объема Vк при наибольшем маневровом объеме Vм, принимаем величину начального давления газа P0 = 6 МПа. Далее, приняв за мерный участок протяженность 5000 м, считаем, что на этом расстоянии навесная система два раза опускает орудие в начале участка, затем подъем – опускание при развороте в конце участка. При этом предохранительный механизм, срабатывает в среднем один раз, т. е. при встрече с препятствием, которое тракторист не
может объехать [2]. Среднее число столкновений элементов ходовой части с крупными корнями пней на учетном отрезке составляет 13, при этом суммарный объем вытесненной жидкости в ПГА достигает 2,21 дм3.
Расчеты показывают, что на рассмотренном мерном участке суммарный
объем возвращенной в ПГА рабочей жидкости составляет около 4,24 дм3 при
затраченных 6,06 дм3. Последнее значение можно считать маневровым объемом
Vм, так как его достаточно для удовлетворительной автономной работы имеющихся на ЛПА гидродвигателей. Конструктивный объем Vк, найденный графическим методом [3], составил 13,22 дм3.
По данным [4], мощность, потребляемая насосом при среднем рабочем давлении 10 МПа, составляет 9,79 кВт. Мощность двигателя трактора ДТ-75М – 45,63 кВт.
Соотношение возвращенной энергии РС к затраченной ЛПА составляет 70,7 %, т. е.
на эту величину сокращается время работы насоса. Расчеты показывают, что потребная мощность насоса сократится примерно на 7,36 кВт и в пересчете на экономию
топлива ЛПА ориентировочно составит 16,13 %. Эта величина по РС распределяется
следующим образом: ходовая часть трактора – 56 %, навесной механизм трактора –
11 %, предохранительный механизм почвообрабатывающего орудия – 33 %.
Таким образом, очевидно, что наибольшую экономию топлива ЛПА
обеспечивают РС ходовой части и предохранительный механизм почвообрабатывающего орудия. Эффективность РС навесного механизма заключается в основном не в экономии топлива, а в повышении надежности этого механизма.
Библиографический список
1. Посметьев, В. И. Перспективные рекуперативные системы для гидроприводов лесных почвообрабатывающих агрегатов [Текст] / В. И. Посметьев, Е. А. Тарасов, В. С. Кухарев // Наука и образование на службе лесного комплекса.: сб. науч. тр. / Воронеж: ВГЛТА, 2005. Т. 2 – С. 132-136.
2. Посметьев, В. И. Обоснование перспективных конструкций предохранителей для рабочих органов лесных почвообрабатывающих орудий [Текст] :
монография / В. И. Посметьев – Воронеж : ВГЛТА, 2000. – 248 с.
3. Шерман, Э. Б. Исследование насосно-аккумуляторного гидропривода
рабочих органов землеройно-транспортных машин цикличного действия [Текст]
: дис. … канд. техн. наук: 05.184 : защищена 12.04.70 : утв. 23.02.71 / Шерман
Эрнст Борисович. – Омск, 1970. – 152 с. – Библиогр. : C. 119-130.
4. Кальбус, Г. Л. Навесные системы тракторов и гидромеханизмы сельскохозяйственных машин [Текст] : учеб. / Г. Л. Кальбус. – Киев : Урожай, 1964. – 364 с.
152
УДК 630*611
ОБОСНОВАНИЕ ЕДИНОЙ РЕСУРСОСБЕРЕГАЮЩЕЙ
ТЕХНОЛОГИИ РУБКИ И ВОССТАНОВЛЕНИЯ ЛЕСА (НА
ПРИМЕРЕ РЕСПУБЛИКИ КАРЕЛИЯ)
А.В. Родионов
Петрозаводский государственный университет
Обосновывается положение о том, что повышение эффективности рубки и восстановления леса в регионе требует комплексного обоснования технологических и экономических
решений, что представляет собой крупную научную проблему.
На долю Российской Федерации (РФ) приходится примерно ¼ мировых
запасов древесины. Однако, доля доходов от заготовки и обработки древесного
сырья в бюджете России не превышает 4 %, лесное хозяйство финансируется на
30 % от необходимых затрат, освоение расчетной лесосеки составляет 22 %. По
оценке министра природных ресурсов Ю. П. Трутнева, стратегическим направлением развития лесного комплекса РФ должно стать увеличение его доли с 1
до 10 % российского валового продукта, в т. ч. за счет повышения эффективности процессов рубки и восстановления леса [1].
Повышение эффективности процессов рубки и восстановления леса затрудняется вследствие их организационной и технологической разобщенности,
а также длительности цикла лесовыращивания.
Так, технологическая разобщенность требует подготовительнозаключительных операций, затраты на которые превышают 18 % рабочего времени [2]. Преобразование процессов рубки и восстановления леса в единый
технологический процесс позволяет сократить непроизводительные затраты.
С технологической точки зрения, в процессах на лесном участке задействованы различные виды сырья и полуфабрикатов, в десятки раз отличающиеся
друг от друга по энергетическому уровню – растущие деревья при проведении
рубок леса, сеянцы или саженцы при посадке леса и др.
Разрешение этих противоречий возможно в рамках объектной концепции
лесной технологии [3]. В качестве объекта эта концепция рассматривает лесной
участок как земельный участок (аналог сырья), качество которого изменяется в
результате технологических операций. Основная продукция – тот же лесной
участок, но со спелыми насаждениями хозяйственно-ценных пород, наличие
которых говорит о завершении очередного технологического цикла.
При этом рубки и восстановление леса рассматриваются как основные
технологические процессы лесовыращивания, поскольку именно в результате
протекания этих процессов происходит изменение свойства лесного участка как
участка земли – быть или не быть лесом, т.е. продуцировать древесину и другие
©
Родионов А.В., 2007
153
полезности, связанные с лесом (т. е. осуществляется переход количественных
изменений в качественные).
В современных экономических условиях к этому добавляется то, что
именно в процессе лесосечных работ происходит переход права собственности
на древесину от государства к предпринимателю (лесопользователю). При этом
на лесопользователя также возлагается обязанность проводить лесовосстановительные работы, что создает дополнительный стимул к поиску взаимосвязей
между технологическими процессами рубки и восстановления леса с целью
снижения общих затрат на освоение лесных участков.
Возможности установления связей между технологическими процессами
рубки и восстановления леса на основе структурирования лесной площади сетью постоянно-действующих технологических коридоров были указаны в работах В. Г. Атрохина, Г. К. Виногорова, И. К. Иевиня, В. Г. Кочегарова, В. Н.
Меньшикова, К. П. Рукомойникова, А. М. Цыпука, И. Р. Шегельмана, Ю. А.
Ширнина и других ученых, а экспериментальные работы по организации заготовки и восстановления леса по взаимоувязанным технологиям проводились в
России, странах Скандинавии и Канаде.
С учетом опыта предыдущих исследований, в Петрозаводском государственном университете разработан вариант единого технологического процесса
рубки и восстановления леса, основанный на применении существующих и
перспективных посадочных и посевных машин, осуществляющих дискретную
или поверхностную обработку почвы в среде препятствий на вырубках (типа
лункообразователей Л-2У, покровосдирателей ПДН-1, ПДН-2, лункоделателейсеялок ПЛС-2 и др.) [4].
С целью сбережения всех видов ресурсов, используемых для рубки и восстановления леса, а также для сохранения лесной среды упомянутый вариант
единого технологического процесса предусматривает следующее:
1. Исключение всех операций, не создающих добавленной стоимости
(вспомогательные операции), характерных при переходах от одного технологического процесса к другому – корчевка, разметка проходов для лесокультурных
агрегатов, уборка порубочных остатков.
2. Основные операции, создающие добавленную стоимость (валка, трелевка, обработка почвы, посев или посадка леса) проводятся с минимальным
воздействием на поверхность лесного участка (лесную среду), что обеспечивается организацией рабочих ходов лесосечных и лесокультурных агрегатов по
принципу минимизации воздействия на предмет труда и затрат энергии с учетом природно-производственных условий.
Например, предусматривается движение лесосечных машин только по трелевочным волокам, а число проходов лесокультурных машин, осуществляющих восстановление леса на пасеках, сводится к минимально необходимому по лесоводственным требованиям.
Минимальное количество проходов лесокультурного агрегата между
смежными волоками N в разработанном варианте единого технологического
процесса рубки и восстановления леса определяется по формуле:
154
N=
P −T + E
→ min;
b + 2 ⋅ (M + σ ) + E
b ≤ E ≤ Emax ,
(1)
где P – ширина пасеки, м; T – ширина трелевочного волока, м; E – защитная зона между рядами культур в смежных проходах, м; b – расстояние между крайними рядами культур в ленте, м; M – средняя арифметическая величина смещения трассы лесокультурного агрегата от оси движения, м; σ – среднее квадратическое отклонение, м; Emax – максимальная допускаемая величина защитной
зоны между рядами культур в смежных проходах, м; для условий насаждений
Республики Карелии Emax = 3…4 м.
Шаг подготовки посадочных мест на пасеке Sмех, м, который должен обеспечивать лесокультурный агрегат, определяется по формуле:
10000⋅ N ⋅ n ⋅ K1 ⋅ K 2 ⋅ K3
,
S мех =
(2)
P⋅ H
где n – количество рядов культур, высаживаемых за один проход агрегата; K1 – вероятность образования лунок необходимой глубины; K2 – вероятность образования
лунок по длине рабочего хода; K3 – коэффициент удлинения рабочего хода; H –
норма посадки растений, шт./га, которая определяется в зависимости от условий
выполнения работ; обычно для условий Республики Карелии 3000…3500 шт./га –
при посадке сеянцев и 2500…3000 шт./га – при посадке саженцев.
Шаг посадки растений на пасеке S, м определяется по формуле:
S
S = мех ,
(3)
K1 ⋅ K 2
Пример. Определить число проходов по пасеке двухрядного лункообразователя Л-2 в агрегате с трактором МТЗ-82 в условиях ельника-черничника,
шаг подготовки посадочных мест и шаг посадки сеянцев.
Решение. Для расчетов воспользуемся формулами (1, 2 и 3).
Примем: P = 20 м; T = 5 м; b = 1,8 м (по технической характеристике
Л-2У); M = 0,155 м; σ = 0,517 м; Emax = 3 м; K1 = 0,655; K2 = 0,95; K3 = 1,01; Н =
3000 шт./га.
Очевидно, что минимальное количество проходов агрегата по пасеке будет при условии E = Emax, следовательно:
N=
20 − 5 + 3
= 2,93 ≈ 3 прохода;
1,8 + 2 ⋅ (0,155 + 0,517) + 3
S мех =
S=
10000 ⋅ 3 ⋅ 2 ⋅ 0,655 ⋅ 0,95 ⋅ 1,01
= 0,63 м;
20 ⋅ 3000
0,63
= 1,01 м.
0,655 ⋅ 0,95
При обосновании экономической эффективности разработанного варианта единого технологического процесса рубки и восстановления леса следует
учитывать, что единственным способом получения дохода для государства от
155
имеющихся в его собственности лесных ресурсов в регионах является передача
(за соответствующую плату) права их эксплуатации предпринимателям, т. к.
органы государственного управления не имеют ни прав, ни соответствующих
условий для самостоятельного использования этих ресурсов. Государство имеет возможность влиять на объем лесозаготовок в регионах и устанавливает законы, от которых зависит величина налогов и, таким образом, доходы предпринимателей. Тем самым государство принимает на себя обязанности экономического регулирования процессов лесопользования и лесного хозяйства.
В переходный к рынку период механизмы регулирования процессов лесопользования и лесного хозяйства, присущие социалистической системе (жесткое планирование сверху), не действуют, а механизмы рыночного регулирования находятся в стадии формирования [5]. Следовательно, для переходного
периода необходимо разработать новый эффективный механизм, позволяющий
регулировать эти процессы с учетом интересов всех участников.
В переходный период в лесном секторе деятельность собственников лесных ресурсов (государства), капитала (предпринимателей) и рабочей силы (наемных работников) характеризуется, прежде всего, годовым объемом заготовки
V, м3 древесного сырья. Результатом деятельности является годовая выручка от
реализации лесной продукции X, руб.:
X =V ⋅λ ,
(4)
3
3
где λ – стоимость продукции из 1 м древесины, руб./м .
Годовая выручка расходится между участниками лесопользования:
X = D G + D B+ D R ,
(5)
где D G – доход органов государственного управления, руб.; D B – доход предпринимателей; D R – доход наемных работников, руб.
В лесном секторе увеличение годовой выручки возможно путем увеличения объема заготовки древесины в кубометрах и увеличения стоимости продукции, получаемой из каждого кубометра заготовленного сырья.
На основании сравнения природно-климатических условий Финляндии и
Республики Карелия мы считаем, что в Карелии возможно увеличение объема
заготовки древесины с 6,3 (2003 г.) до 13-14 млн м3, и повышение стоимости
продукции, вырабатываемой из 1 м3 заготавливаемого сырья, от 78 до 200 дол.
США [4]. Для этого предпринимателям необходимо осуществлять капитальные
вложения (инвестиции), объем которых зависят от рентабельности производства.
Разработана математическая модель, позволяющая определить продолжительность периода Т, лет достижения максимального использования лесных ресурсов по объему заготовки и стоимости вырабатываемой продукции при текущей ежегодной рентабельности предпринимателей ηB , %, а также обосновать
величину этой рентабельности для достижения цели за определенный период N,
лет.
Продолжительность периода Т определится так:
156
⎛V
λ ⎞
lg⎜ max ⋅ max ⎟
⎜ V0 λ 0 ⎟
⎠,
T= ⎝
lg(1 + ηB )
(6)
где V max – максимально допустимый годовой объем заготовки, м3/год; λ max –
максимально возможная стоимость продукции из 1 м3 древесины, руб.; V 0 – начальный годовой объем заготовки, м3/год; λ 0 – начальная стоимость продукции
из 1 м3 древесины, руб.
Величина ηB , при которой достижение максимального использования лесных ресурсов обеспечивается к концу определенного периода N, выражается из
(6):
⎛ Vmax λ max
⋅
⎜ V0
λ0
⎝
ηB = ⎜
⎞
⎟
⎟
⎠
1
N
− 1.
(7)
Расчеты, выполненные в Институте экономики Карельского научного центра Российской Академии наук для Республики Карелия [4], показали, что возможности лесного сектора этого региона могут быть полностью реализованы за
10 лет, при уровне рентабельности предпринимательской деятельности не менее 19 % (рисунок).
Рентабельность, %
40
35
30
25
20
15
10
5
0
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
П ери од дости ж ен и я ц ели , лет
Рисунок Зависимость рентабельности затрат предпринимателей
от продолжительности периода достижения максимальных показателей
Выводы:
1. Технологическая и организационная разобщенность лесосечных, лесовосстановительных и других работ, выполняемых в период роста леса, приводит к непроизводительным затратам (не менее 18 % рабочего времени).
157
Преодолеть эту разобщенность возможно только установления связей между технологическими процессами рубки и восстановления леса на основе организации сети постоянно-действующих технологических коридоров, закладываемых в процессе заготовки древесного сырья и используемых в течение оборота рубки леса (до 120 лет).
2. Технической базой для искусственного лесовосстановления в едином
технологическом процессе рубки и восстановления леса могут быть только такие лесокультурные машины, которые осуществляют дискретную или поверхностную обработку почвы, и работоспособны в среде препятствий на вырубках
при количестве пней свыше 600 шт./га. К таким машинам относятся: лункобразователь динамический Л-2У, покровосдиратели дисковые ПДН-1А и ПДН-2,
покровосдиратель-лункоделатель-сеялка ПЛС-2 и другие.
3. Выявлено, что для обеспечения экономической эффективности единого
технологического процесса рубки и восстановления леса в регионе государству
необходимо организовать взаимодействие 3 групп участников: органов государственного управления, предпринимателей и наемных работников, основанное на распределении доходов.
4. Предложена новая математическая модель, позволяющая прогнозировать развитие лесного комплекса, основанная на показателях рентабельности
затрат участников лесопользования и лесного хозяйства.
Установлено, что достижение максимального для Республики Карелия
объема заготовок древесного сырья (14 млн м3/год) и стоимости получаемой
продукции (6400 руб./м3), потребует не менее 14 лет (при сохранении рентабельности предпринимателей на уровне 13,5 %). Минимальный период достижения этих показателей составляет 6 лет, при этом рентабельность предпринимателей должна быть не менее 33,4 % .
Библиографический список
1. Трутнев, Ю. Никогда не ощущаю себя в лесу «диким» городским человеком [Текст] / Ю. Трутнев // Лесная газета. – 2004. –18 сентября.
2. Виногоров, Г. К. Очистка лесосек в современном аспекте [Текст] / Г. К.
Виногоров // Проблемы технологии и механизации лесосечных работ: Науч.
труды. – Химки: ЦНИИМЭ, 1969. № 96. – С. 3–58.
3. Цыпук, А. М. Объектная концепция лесной технологии [Текст] / А. М.
Цыпук // Региональные проблемы развития лесного комплекса: Тез. докл. республ. науч.-практ. конф. 16 января 1998 г. – Петрозаводск: КарНИИЛП, 1998. –
С. 8–9.
4. Родионов, А. В. Повышение эффективности лесопользования [Текст] /
А. В. Родионов. – Петрозаводск: Изд-во ПетрГУ, 2004. – 128 с.
5. Управление лесами в переходной экономике (опыт реформ в России и
странах Балтии): учеб. пособие [Текст] / А. П. Петров, А. Мелниш, А. Талиярв и
др.; под общ. ред. А. П. Петрова. – М.: Изд-во Техно-Лайт, 2001. – 160 с.
158
УДК 631.316
ОБОСНОВАНИИ ЕПРИНЦИПА ДЕЙСТВИЯ И
ФУНКЦИОНАЛЬНОЙ СХЕМЫ УСТРОЙСТВА ДЛЯ
ОБРАБОТКИ ПРИСТВОЛЬНЫХ ПОЛОС В ЛЕСНЫХ
НАСАЖДЕНИЯХ
В.Н. Хорошавин, Ю.М. Жданов, Р.Е. Несмачнов
Всероссийский государственный научно-исследовательский институт агролесомелиорации
Даны классификация и анализ устройств для обработки приствольных полос в многолетних насаждениях. Проведен кинематический расчет процесса образования управляющего
воздействия следящих устройств, на основании которого выбрана схема следящего устройства как наиболее эффективная для работы в лесных насаждениях.
Для обработки приствольных полос многолетних насаждений существует
большое разнообразие устройств с различным принципом действия. На рис. 1
представлена классификация этих устройств. Все устройства для обработки
почвы в приствольных полосах многолетних насаждений делятся на 2 группы:
устройства прямого действия, в которых усилия удерживающие рабочие органы в ряду, воспринимаются полностью надземной частью растений и устройства непрямого действия, в которых управление отводом рабочих органов от
культурных растений производится с помощью автоматических устройств.
Первая группа устройств делится на две подгруппы: пассивные ротационные
рабочие органы с наклонной осью вращения и устройства с отводом рабочих
органов за счет сопротивления крон кустов и стволов деревьев.
В основе работы ротационных рабочих органов лежит принцип, по которому культурные растения должны находится в зоне наименьшего воздействия
рабочих элементов, степень деформируемости сорняков должна быть выше,
чем у культурных растений. Пассивные ротационные рабочие органы имеют
два достоинства: простоту конструкции и большую производительность (рабочая скорость 7-10 км/ч). Принципы, на которых основана работа пассивных ротационных рабочих органов характеризуют область их применения.
С ростом насаждений эффективность использования пассивных ротационных рабочих органов снижается из-за увеличения повреждений культурных
растений и возрастания доли многолетних глубоко укоренившихся сорняков.
Устройства с отводом рабочих органов за счет сопротивления кустов и
деревьев в свое время применялись при обработке защитных зон на виноградниках (приспособление ПРВН-38 к плугу-рыхлителю ПРВН-2,5 и лесных насаждений (культиватор МГКШ). Общим недостатком таких устройств является
недостаточная обработка площади защитных зон (не более 50-60%) [1].
©
Хорошавин В.Н., Жданов Ю.М., Несмачнов Р.Е., 2007
159
Устройства прямого действия
Форма рабочих элементов
Пальцевые
Зубовые
Каркасно-проволочные
Многолопастные
Игольчатые
С дополнительными пассивными отводящими элементами
Ось вращения близка
к горизонтали
Пружинные
Устройства
с отводом
рабочих органов за
счет сопротивления
кустов и деревьев
Пассивные
ротационные рабочие
органы с
наклонной
осью вращения
Ось вращения близка
к вертикали
Устройства непрямого действия
Устройства
с командноциклической системой управления рабочими органами
Устройства
со следящей
системой
управления
С активными
рабочими органами
С пассивными режущерыхлящими
рабочими
органами
Рис. 1 Классификация устройств для обработки почвы в
приствольных зонах многолетних насаждений
Более перспективными с точки зрения полноты обработки почвы в приствольной зоне насаждений и отсутствия их повреждений является применение
устройств непрямого действия, в которых культурные растения воспринимают слабые усилия сигнального устройства, вырабатывающего команду для исполнительного механизма, управляющего положением рабочего органа при обходе растений.
Устройства непрямого действия по характеру управления рабочими органами делятся на две группы: командно-циклические и следящие.
Принцип действия командно-циклических устройств заключается в том что,
при получении через посредство щупа сигнала от дерева срабатывает пусковое устройство, после чего исполнительный механизм с рабочим органом совершает движение по определенной траектории с постоянными параметрами. Такие устройства
могут работать только при достаточно большом расстоянии между растениями в
ряду, что имеет место в садах. Кроме того, ложные срабатывания щупа значительно
уменьшают обрабатываемую площадь приствольной зоны. Примером с командно–
циклической системой управления является садовая фреза МПП-1,2 [2].
160
Наиболее совершенны устройства следящего типа, которые обеспечивают
взаимное соответствие между положением копирующего щупа и рабочего органа. Такие устройства в настоящее время получили наибольшее распространение
при обработке приствольных зон в многолетних насаждениях. Они установлены
на садовых культиваторах КСГ-5, ПМП-0,6, виноградниковых культиваторах
ПРВН-72000, ПРВН-11000, КВО-3, на лесном культиваторе КУН-4 и др.
В устройствах для обработки приствольных полос применяются выдвижные
плоскорежущие и фрезерные рабочие органы различной конструкции. Плоскорежущие наиболее просты по исполнению, но на суглинистых почвах не всегда обеспечивают надлежащее крошение почвы и уничтожение сорной растительности,
особенно многолетней [1]. Лучше работают фрезерные рабочие органы. Однако
при обходе культурных растений в насаждениях они образуют напаши и борозды,
устранение которых достигается установкой дополнительных выравнивателей.
В качестве исполнительных механизмов для обхода рабочим органом растений в устройствах следящего типа используются кривошипные (на культиваторах ПРВН-72000, КВО-3 и др.) и параллелограмные (на КСШ-5Г, ФА-0,76,
КУН-4 и др.). Как показано в работе [3], применение параллелограмный исполнительных механизмов позволяет получить лучшую форму защитной зоны вокруг растения и большую устойчивость рабочих органов по глубине обработки.
Выдвижные фрезерные рабочие органы с горизонтальной осью вращения
применяют только с параллелограмными механизмами.
Для привода исполнительных механизмов используются гидроцилиндры,
управление которыми осуществляется через посредство различного рода распределителей. Датчиками автоматической системы управления являются механические щупы, которые через механические, электрические и электронные
звенья передают сигнал управляющего воздействия на распределитель.
Распределитель и гидроцилиндр по структурной схеме образуют интегрирующее звено, и поэтому, для отслеживания управляющего воздействия, система управления должна иметь обратную связь. При высоте культурных растений от 1 м и выше применяются механические датчики, т.к. необходимость в
использования электронных и электрических усилительных звеньев отпадает.
В указанных выше машинах со следящими системами управления отслеживается взаимное расположение копирующего щупа и рабочего органа.
При встрече с растением щуп может обойти его за счет поворота вокруг
оси вертикального вала, установленного на раме орудия, или на звене, которое
вместе с рабочим органом выводится в ряд растений, совершая плоскопараллельное движение. На рис. 2 показаны функционально-кинематические
схемы двух указанных типов следящих устройств, где а) - схема с управляющим
воздействием по углу поворота щупа; б) - схема с плоскопараллельным движением щупа и управляющим воздействием по перечному перемещению щупа.
С точки зрения теории автоматического управления, обе схемы являются
замкнутыми, т.е. выходной сигнал исполнительного механизма 5 и рабочего
органа (в виде механического перемещения) с помощью устройства 3 сопоставляется с сигналом щупа 1, вырабатываемом при встрече со стволиком растения 7. С помощью усилителя мощности 4, в который входит распределитель и
161
гидроцилиндр, происходит увеличение усиления подаваемого на исполнительный механизм для осуществления перемещения рабочего органа.
В отечественных машинах для обработки приствольных полос в многолетних насаждениях применялись автоматические системы управления с поворотным щупом. Система с плоскопараллельным управляющим движением щупа, установленного на шатуне параллелограмно-исполнительного механизма,
применялась на импортной фрезе ФА-0,76 (Болгария). Эта система управления
имела ряд существенных недостатков: слабое быстродействие, большое усилие
на отвод щупа, перегрев масла в гидросистеме автоматического устройства, малая площадь обработки приствольной полосы. Несмотря на указанные недостатки, качественные показатели фрезерного культиватора ФА-0,76 выше, чем у
других культиваторов с плоскорежущими рабочими органами и системой
управления с помощью поворотного щупа.
Существенным преимуществом схемы б) по сравнению со схемой а) является
плоскопараллельное движение щупа при встрече с растением вместо поворотного.
При этом обход растения щупом, а следовательно и рабочим органом делится на
две фазы. На первой фазе выхода из ряда по схеме а) происходит отклонение щупа
под действием силы тяги приложенной к оси вращения щупа и силы сопротивления
растения. На второй фазе щуп после соскальзывания с растения возвращается в исходное положение под действием момента от натяжения пружины.
Определим длину зоны выхода щупа и рабочего органа l1 из ряда при условиях: система управления является идеальным усилительным звеном, продольная ось трактора параллельна фактическому ряду растений. Диаметрами
растений и щупа пренебрегаем, считаем их геометрическими осями.
Из рис. 2а находим
2
⎛ h ⎞
⎟⎟ − (h − d 0 ) 2 − (h − d 0 ) ⋅ ctgϕ 0 ,
l1 = ⎜⎜
(1)
⎝ sinϕ 0 ⎠
где h – проекция щупа на поперечно вертикальную плоскость;
ϕ0 – начальный угол установки щупа;
d0 – заход щупа за ось растений, который является случайной величиной
связан с точностью вождения агрегата относительно ряда растений. Размер d0
зависит от ряда факторов: рассеивания растений в ряду, условий видимости
стволиков, прямолинейности рядка, навыками вождения тракториста.
В работе [3] определены возможные разбросы места встречи щупа с растениями
при работе в лесных насаждениях. Выявлено, что среднеквадратическое отклонение места встречи щупа с растением составляет ±75 мм. При расчетном варьировании этого показателя в пределах ±3σ проекция щупа h должна равняться 0,92 м.
На возвращение щупа в исходное положение под действием момента растяжения пружины требуется время приблизительно 0,2 с. При скорости движения
агрегата 1,4 м/с на стадии возвращения щупа агрегат пройдет расстояние 0,28
м. Таким образом для совершения полного цикла обхода растений расстояние
между стволиками не должно быть менее 1,2 м. В противном случае снижается
площадь обработанной почвы.
162
а)
б)
1 6
7
6
1
tt
7
Привод от
ВОМ
трактора
Движение
агрегата
5
5
Рис. 2 Функционально–кинематические схемы управляющих следящих
устройств:
а) – схема с поворотным щупом; б) – схема с плоскопараллельным движением щупа
1 – копирующий щуп; 2 – задающее устройство; 3 – сравнивающее устройство; 4 – усилитель мощности; 5 – исполнительный параллелограмный механизм; 6 – рабочий орган; 7 – ствол дерева.
Испытания лесного культиватора КВЛ-2 в различных регионах страны
подтверждают эту теоретическую предпосылку.
На рис. 2,б для прохождения зоны нечувствительности щуп поворачивается
лишь на небольшой угол. Основное его движение идет под одним и тем же углом
ϕ к направлению движения агрегата, и щуп совершает плоскопараллельное движение на обеих фазах обхода растений. При этом рабочий орган также будет совершать плоскопараллельное движение. Управляющим воздействием здесь является изменение расстояния yt от конца щупа до неподвижной рамы орудия.
Из схемы на рис. 2,б следует, что поперечное перемещение щупа в каждый момент времени
yt =Vt ⋅ tgϕ
(2)
где V – скорость движения агрегата;
t – время, с;
ϕ - угол установки щупа.
163
Из формулы (2) следует, что в каждый момент времени поперечное перемещение щупа не зависит от величины его захода за ось растения d0, это обеспечивает стабильность траектории движения рабочего органа.
Длина зоны выхода рабочего органа из ряда
l1 =d0 ⋅ ctg ϕ .
(3)
Сравнив длину зоны выхода рабочего органа за растение в ряду, при второй схеме устройства - с плоско-параллельным движением щупа, с первой схемой управляющего воздействия - по углу поворота щупа, можно отметить, что
при второй схеме она значительно меньше. Это позволяет завершать цикл обхода растений при меньшем расстоянии между растениями в рядах. Последнее
обстоятельство особенно важно при обработке приствольных полос в лесных
насаждениях, где имеются помехи для работы щупа в виде низко расположенных боковых ветвей. В садах и виноградниках, где работают подобные машины, агротребованиями предусматривается оставлять свободные просветы под
кронами. В лесных насаждениях таких просветов не предусматривается.
Выводы
Для обработки приствольных полос в лесных насаждениях наиболее перспективной из известных отечественных и зарубежных устройств для управления вдвижными рабочими органами является схема управления, когда копирующий щуп и рабочий орган установлены на шатуне параллелограммного исполнительного механизма, как это осуществлено на фрезе ФА-0,76 (Болгария).
В то же время это схема требует доработки в направлении увеличения быстродействия, уменьшение усилия на отвод копирующего щупа, применения новых
типов гидравлических элементов, снижающих нагрев масла.
Библиографический список
1. Воронин, В.Я. Гидромеханические системы автоматического регулирования рабочих органов сельскохозяйственных машин. Расчет и выбор параметров: руководящий технический материал. РТМ 23.2.72-94 / В. Я. Воронин, А.
В. Большаков, В. Я Парфенов, Л. А. Борошок -М.-ВИСХОМ.-1979, - С.29-33.
2. Манаенков, К. А. Энергосберегающая технология обработки почвы в
интенсивных садах/ К. А. Манаенков//Техника в сельском хозяйстве. 2002. №2.С.20-202.
3. Хорошавин, В. Н. Исследование технологических основ и параметров
системы автоматического управления выдвижными рабочими органами для обработки почвы в рядах лесных насаждений: автореф. дис. … канд. техн. наук:
05.20.01/ В. Н. Хорошавин.- Волгоград, 1973.-24 с.
164
УДК 674.049.2
ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ПУЛЬСИРУЮЩЕГО
РЕЖИМА УПЛОТНЕНИЯ ДРЕВЕСИНЫ
Р.В. Юдин
Воронежская государственная лесотехническая академия
Одним из методов повышения прочностных свойств древесины является ее модификация и прессование. Для теоретического описания процессов деформирования древесных материалов используют дифференциальные уравнения, описывающие как процесс ползучести
древесины, так и процесс релаксации напряжений.
В настоящее время доказана целесообразность использования пульсирующих режимов при обработке древесины и древесных материалов.
Скорости нагружений, применяющиеся в пульсирующем прессе способствует тому, что время релаксации напряжений сравнимо со временем уплотнения, в связи, с чем наблюдается отступление от линейности. К упругой деформации добавляется некоторая доля эластической деформации.
Амплитуда колебаний – один из главных параметров, определяющих интенсивность обработки. Величину амплитуды, исходя из качества обработки
древесины, принимают 0,1-1 мм.
Частота колебаний определяет число импульсов, передаваемых древесине
в единицу времени. Изменение частоты колебаний выше предельных значений
приводит к уменьшению охвата обрабатываемых зон за цикл колебаний. Общее число пульсирующих воздействий на древесину пропорционально произведению частоты на время обработки [3].
При импульсном воздействии нагрузки, а так же при стационарном температурно-влажностном воздействии естественная и прессованная древесина проявляет свойства ползучести и релаксации.
Для описания различных видов деформации древесины привлекаются различные реологические уравнения структурных моделей.
Так, в работе [4] используются уравнение тела Максвелла:
dб
dε Ε
=Ε
− (б − бΠΤ ) ,
dt
dt η
где
(1)
η - коэффициент вязкости (внутреннего трения),
б ΠΤ - предел пластической текучести,
б - напряжение сжатия,
Е- модуль упругости древесины.
В связи с неоднородностью строения древесины для анализа деформаций
и напряжений В.Н. Быковским была развита теория вязкоупругости дисперсных сред, состоящих из частиц, показатели механических свойств которых подвержены статистическому разбросу [1].
©
Юдин Р.В., 2007
165
А.Р. Ржаницын, исходя из модели древесины, как совокупности твёрдых
упругих частиц и упруго-вязкой жидкости, вывел следующие законы деформирования:
n ⋅ ΕΜ
dε
dб
+ Ε Д ⋅ε = б + n ;
dt
dt
(2)
для области пластического течения
n ⋅ ΕΜ
dε
dб
= б − бΠΤ + n ,
dt
dt
(3)
где Ε Μ и Ε Д - мгновенный и длительный модули упругости древесины:
n - время релаксации.
Идеализированные схемы строения материала, в которых древесина
рассматривается как упруго–вязко–пластичный материал на примере, для сосны при растяжении – сжатии варажается следующим уравнением деформирования:
t
⎡
−α ( ) c ⎤
ΕД
б ⎢
ε расч =
1 − (1 −
) ⋅ e t1 ⎥,
⎥
ΕД ⎢
ΕΜ
⎣⎢
⎦⎥
(4)
где Ε Д и Ε Μ - длительный и мгновенный модули упругости;
c - некоторый постоянный коэффициент
t1 - база по времени для кривой ползучести
α - постоянный коэффициент, зависящий от допуска по деформации
при определении базы испытаний во времени.
Ползучесть прессованной древесины при деформировании поперек волокон выражено дифференциальным уравнением деформирования с переменными во времени коэффициентами
n ⋅ ΕΜ
dε α ⋅ Ε Д ⋅ ε
dб
б
+
=n
+α
,
1
−
α
dt (t / n)
dt
(t / n)1−α
(5)
где n - время релаксации
α - коэффициент формы кривой ползучести или релаксации.
Из вышеизложенного следует, что для описания процесса ползучести и
релаксации естественной и прессованной древесины используются различные
дифференциальные уравнения, как с постоянными, так и с переменными коэффициентами.
Однако следует отметить, что все они могут быть приведены к единой
унифицированной форме интегрального линейного уравнения Вальтера, из которого все дифференциальные модели получаются как частный случай при различных ядрах ползучести или релаксации. Ввиду этого необходимо изучить
общие формы реологических уравнений и найти резольвенты исходных линейных операторов статистически неопределимых древесно-полимерных и древесно-металлических систем.
Закон деформирования материалов с учётом ползучести может быть записан в виде
166
t
⎤
1 ⎡
ε (t ) =
⎢б (t ) + ∫ Κ (t ,τ )б (τ )dτ ⎥ ,
Ε(t ) ⎣⎢
t0
⎦⎥
(6)
где ε (t ) - деформация; Κ (t ,τ ) - заданное ядро ползучести, представляющее
собой скорость изменение деформации при действии постоянного напряжения;
t 0 - момент начала нагружения.
Решением интегрального уравнения (6) относительно напряжения является
выражение:
t
б (t ) = Ε(t ) ⋅ ε (t ) − ∫ Ε(τ ) ⋅ R(t ,τ ) ⋅ ε (τ ) ⋅ dτ ,
(7)
t0
где R(t ,τ ) - безразмерная резольвента интегрального уравнения, имеющая
определённый физический смысл – скорость изменения напряжения при постоянной деформации.
В работе В.Б. Огаркова выведено новое интегральное уравнение для определения резольвенты в следующей форме[2]:
t
где δ (t ,θ ) =
∫θ Ε(τ ) ⋅ δ (τ ,θ ) ⋅ R(t ,τ ) ⋅ dτ = Ε(t ) ⋅ δ (t ,θ ) − 1
(8)
1
+ C (t ,θ )
Ε(θ ) t
(9)
- относительная деформация к моменту времени t от действия напряжения
единичной интенсивности, приложенного в момент θ . Для задачи релаксационного выведено следующее соотношение:
t
∫θ Π (τ ,θ ) ⋅ Κ (t ,θ ) ⋅ dτ = Ε(t ) − Π(t ,θ ) ,
(10)
где Π (t ,θ ) = Ε(θ ) − Ρ(t ,θ ) - полная относительная релаксация; C (t ,θ ) - функция
«чистой» ползучести; Ρ(t ,θ ) - функция «чистой» релаксации.
Если воспользоваться формулой Дирихсле:
t t
t
τ
θ Χ
θ
θ
∫ ∫ F (t ,τ ) ⋅ Φ(τ , x) ⋅ dτ ⋅ dx = ∫ F (t ,τ )∫ Φ(τ , ρ ) ⋅ dρ ⋅ dτ
-
то путём n - кратного ин-
тегрирования соотношений (8) и (10) по переменной θ и применение реккурентного соотношения интегрирования по частям получим
∂δ n (τ , θ )
(t − θ ) n
Π (t ,θ )dτ =
, (n = 1,2,...);
∂τ
n!
θ
t
∫
t
∫
θ
∂ Κ +1δ n (τ , θ )
∂τ Κ +1
Π Κ (t ,τ )dτ =
(t − θ ) n
, (n > Κ ).
n!
(11)
(12)
Здесь введены функции ползучести и релаксации Κ - го (произвольного конечного) порядка:
t
t
t
τ
τ1
τ Κ −1
Π Κ (t ,τ ) = ∫ dτ1 ∫ dτ 2 ... ∫ Π (t ,τ Κ )dτ Κ ;
Π Κ (t , t ) ≡ 0(Κ > 0);
(13)
167
t
t
t
τ
τ1
τ Κ −1
δ Κ (t ,τ ) = ∫ dτ1 ∫ dτ 2 ... ∫ δ (t ,τ Κ )dτ Κ ,
(14)
δ Κ (t , t ) ≡ 0(Κ > 0).
Функции ползучести и релаксации Κ - го порядка имеют определенный физический смысл: они используются при ступенчатых процессах напряжения и
деформирования.
Отметим, что все предыдущие соотношения получены для общего случая
материалов с изменяющимися во времени свойствами – например при зависимости механических свойств от температуры и влажности. Как частный случай
могут быть получены соотношения для материалов со стабильными во времени
свойствами:
∂δ m (τ )
t m+Κ
(
τ
)
τ
.
t
d
Π
−
=
∫ ∂τ
Κ
(
)!
m
+
Κ
0
t
(15)
Для классических функций ползучести и релаксации, представляющих собой функции влияния первого порядка, получим
t
∫ δ (τ )Π (t − τ )dt = t.
(16)
0
Если описывать поведение естественной древесины по А.Р. Ржаницыну, то
интегральное уравнение (4) будет иметь вид
ε (t ) =
t
⎤
1 ⎡
⎢б (t ) + ∫ Κ (t − τ ) ⋅ б (τ ) ⋅ dτ ⎥.
Ε(t ) ⎢
⎥
t0
⎦
⎣
(17)
Здесь ядро ползучести запишется так:
Κ (t − τ ) =
(Ε Μ − Ε Д )
n ⋅ ΕΜ
⋅e
−
Ε Д (t −τ )
Ε Μ ⋅n
; ε (0) =
б (0)
.
Ε
(18)
Резольвента ядра ползучести (18) имеет вид:
R(t − τ ) =
ΕΜ − Ε Д
n ⋅ ΕΜ
⋅e
−
(t −τ )
n .
(19)
Если описывать поведение прессованной древесины при ползучести, то соотношение (17) представлено может быть так:
ε (t ) =
1
ΕΜ
t
⎡
⎤
+
б
(
t
)
⎢
∫ Κ (t ,τ ) ⋅ б (τ ) ⋅ dτ ⎥;
⎢⎣
⎥⎦
0
α
α
ΕД
Ε Д ⎤ e− β1 (t −τ )
;
β
.
⋅
Κ (t ,τ ) = ⎢1 −
1
⎥
n ⎣ ΕΜ ⎦ ⎛ τ ⎞1−α
ΕΜ ⋅ nα
⎜ ⎟
⎝n⎠
α⎡
(20)
(21)
Резольвента ядра имеет вид
α
α
Ε Д ⎤ e − β 2 (t −τ )
1
R (t ,τ ) = ⎢1 −
; β2 α .
⋅
⎥
α
1
−
n ⎣ ΕΜ ⎦ ⎛ τ ⎞
n
⎜ ⎟
⎝n⎠
α⎡
(22)
168
Таким образом, явление выражения для ядра Κ (t ,τ ) и резольвенты R(t ,τ )
получены в явной форме, они имеют слабую сингулярность при τ = 0 .
Общая зависимость деформации древесины при прессовании от времени
имеет три стадии. Для нас интересна первая стадия – неустановившаяся ползучесть материалов, когда скорость деформации непрерывно понижается и происходит уплотнение
ε& = Аt −m ,
(23)
где ε& - скорость деформации,м/с; А – амплитуда; t – время, с; m – показатель степени, который изменяется в пределах 0 < m ≤ 1 и определяется после
интегрирования выражения (23).
При m=1
ε = α 0 lnt + const .
(24)
Такая кинетика наблюдается при абсолютной температуре от 0,05 Гкл до
0,3Гкл и ε < 0,3 % .
Деформация (степень прессования) представляется в виде
ε ( t ) = ε упр + ε пл ( t ) ,
(25)
где ε упр = ε 0 =
P
- упругая часть деформации, подчиняющаяся закону Гука;
E0
ε пл = α 0 lnt – пластическая деформация, зависящая от времени,
На рисунке 1 представлен график изменения пластической деформации
от времени при импульсном нагружении, из которого видно, что закон Гука
справедлив в интервале ε пл = 0....2
Абсолютная пластическая деформация при одном импульсе равна
(26)
ΔХ пл = ε пл (t )h0 ,
где h0 – первоначальная толщина образца.
Рис. 1 График изменение пластической деформации от времени при импульсном нагружении
169
После некоторого числа циклов - N завершается прессование и абсолютная деформация образца древесины равна половине первоначальной толщины
N ΔХ пл = N ε пл (tпр )h0 =
где tпр – время прессования.
h0
,
2
N ε пл (tпр ) =
Отсюда
ε пл (tпр ) = α 0 lntпр
где
(27)
1
,
2
(28)
(29)
Подставив полученное выражение (29) в (28), получим выражение для
определения коэффициента формы кривых ползучести и релаксации, уточняющий скорость падения кривых релаксации во времени
α0 =
1
.
2 N lntпр
(30)
Используя зависимость модуля упругости при сжатии от степени прессования в виде
E (t ) = E0 (1 + αε (t )) ,
(31)
где α – коэффициент пропорциональности, равный для березы α = 0,9,
имеем следующее функциональное уравнение:
ε (t ) =
Pi
,
E0 (1 + αε (t ))
(32)
где Pi - величина нагрузки, действующей на образец при прессовании.
Решая уравнение относительно ε (t ) , получим
−α + α 2 + 4
ε (t ) =
Pi
E0
2
= const
(33)
2
⎛P ⎞
P
Так как i <1, то разлагая в ряды пренебрегая членами порядка ⎜ i ⎟ ,
E0
⎝ E0 ⎠
P
имеем
(34)
ε (t ) = i
α E0
Для времени прессования tпр имеем
P
(35)
ε 0 + α 0 lntпр = i .
α E0
Подставив (30) в (35), получаем
Pi
P
1
+
= i .
E0 2 N α E0
(36)
170
Таким образом, для числа пульсирующих воздействий на образец получим окончательное выражение
N=
2Рi = 20 МПа, тогда
E0 α
,
⋅
2 Pi 1 − α
(37)
E0
≈50 подставив в (37) получаем:
2 Pi
N = 50
α
;
1−α
(38)
1
, тогда
2 N lntпр
1
1
2 N lntпр
2 N lntпр
E
E
N= 0 ⋅
= 0 ⋅
1
2 Pi 1 −
2 Pi 2 N lntпр − 1
2 N lntпр
2 N lntпр
α=
(39)
(40)
После преобразования получим
N=
E0
1
⋅
.
2 Pi 2 N lntпр − 1
(
(41)
)
Умножаем обе части на 2 N lntпр − 1 ,получим
1⎞ E
⎛
N 2 ⎜ 2lntпр − ⎟ = 0 .
(42)
N
P
2
⎝
⎠
i
E0
Принимаем отношение
= κ , получим
2 Pi
1⎞
⎛
N 2 ⎜ 2lntпр − ⎟ = k .
(43)
N⎠
⎝
1
k
Из выражения (43) имеем 2lntпр −
= 2,
(44)
N N
k
1
2lntпр = 2 + ,
(44)
N
N
k+N
.
(45)
lntпр =
2N 2
Потенцируя обе части, то есть возводя число e в степень представляющую
собой каждую из частей получим
e
lntпр
= tпр ,
(46)
171
tпр
⎛ k+N ⎞
⎜
⎟
2N ⎠
⎝
=e
2
.
(47)
На рис. 2 представлен график зависимости времени прессования от числа
пульсирующих воздействий на образец, который показывает, что горизонтальной асимптотой является прямая t=1,
⎛ k+N ⎞
⎜
⎟
e⎝ 2 N ⎠
2
так как lim
N →∞
= 1,
(48)
то есть время-t не может быть меньше определенного единичного значения.
7
6
5
4
3
2
1
2
4
6
8
10
Рис. 2 График зависимости времени от числа пульсирующих воздействий
на образец.
В результате решения математической модели установлено число импульсов, которое составило N=168, для прессования древесины березы в радиальном
направлении, со степенью прессования 50%, что позволяет снизить номинальное давление в 2 раза и время прессования с пульсирующей нагрузкой уменьшается на 20 – 30 %. При уплотнении в 2 раза древесины при прессовании,
мгновенный и длительный модули упругости, в направлении перпендикулярном прессованию, увеличиваются примерно в 2 раза, а время релаксации и коэффициент формы остаются практически без изменения.
Библиографический список
1. Уголев, Б. М. Деформативность древесины и напряжения при сушке
[Текст]/ Б. М. Уголев. -М. 1971, 210с.
2. Огарков, В. Б. О связи функций ползучести и релаксации в теории наследственной ползучести материалов. «Исследование по статике и динамике
стержневых и тонкостенных систем» [Текст]/В. Б. Огарков; ВГУ, 1983, С.130-137.
3. Ермолович, А. Г. Обработка древесных материалов пульсирующим
давлением [Текст]/ А. Г. Ермолович. - Красноярск: КГУ, 1986. - 176 с.
4. Ржаницын, А. Р. Некоторые вопросы механики систем, деформирующихся во времени [Текст]/ А. Р. Ржаницын. М.: Госстройиздат, -1949.
172
КРАТКИЕ СООБЩЕНИЯ
УДК 630*26+630*174.754
УСЛОВИЯ БИОЛОГИЧЕСКОЙ УСТОЙЧИВОСТИ
ЗАЩИТНЫХ ЛЕСНЫХ НАСАЖДЕНИЙ СОСНЫ
ОБЫКНОВЕННОЙ НА АРЕНАХ СУХИХ СТЕПЕЙ
Н.И. Алимов
Всероссийский НИИ агролесомелиорации
Явление усыхания молодых лесных насаждений культур сосны на песках юго-востока
России является острой проблемой. Анализ исследований вопроса устойчивости защитных
лесных насаждений сосны обыкновенной зоны сухих степей показывает, что решение этих
задач так или иначе сводится к улучшению влагообеспеченности насаждений теми или иными способами.
Сосновые насаждения на юго-востоке России – важнейший элемент экологического комплекса региона в почвозащитном, климаторегулирующем, рекреационном аспектах. Создание сосновых культур на песках аридной зоны России началось более 100 лет назад. В большинстве – это чистые культуры сосны
обыкновенной, которые представлены в виде массивов, колков и лесных полос
различного назначения.
В последнее десятилетие прошлого века сосновые древостои оказались
в сильнейшей "депрессии". Резкое ослабление сосны наблюдается повсеместно.
Формирование множества очагов усыхания вызывает преждевременный распад сосновых насаждений, повышает пожароопасность древостоев, снижает их почвозащитные, санитарно-гигиенические, рекреационные и другие защитные функции.
Явления усыхания молодых лесных насаждений, в том числе и культур сосны, на песках юго-востока России наблюдаются, как правило, в засушливые годы, которые здесь довольно регулярны. Периодические засухи в регионе – один из
основных факторов, определяющих условия существования растительных ассоциаций. Поэтому случаи массового распада насаждений надо рассматривать как
результат недооценки этого фактора и следствие недостаточной разработки и соблюдения требований агротехники создания насаждений, упущений в лесохозяйственном уходе, в планировании и организации лесокультурных работ.
Периодически повторяющиеся усыхание и гибель культур разного возраста, их недолговечность по сравнению с биологической возможностью породы наводит на мысль, что воспитание этих насаждений в течение их жизни
проводится по правилам и нормативам, несоответствующим главному требованию – созданию долговечных устойчивых насаждений наиболее полно выполняющих свои защитные функции.
©
Алимов Н.И., 2007
173
Усыхание насаждений разного возраста исключает объяснение этого явления быстрым старением породы в степи. Против этого утверждения говорит
и факт наличия здоровых устойчивых насаждений старого возраста (Сергиевский лесопарк, лесной фонд Арчединского, Даниловского, Новониколаевского
и других лесхозов Волгоградской области).
Стремление создавать высокопродуктивные насаждения с качественной
формой ствола привело к необходимости формирования высокополнотных перегущенных насаждений и применения нормативов бореальной зоны при проведении лесоводственных уходов. В результате вытянутые тонкие стволики,
очень маленькая крона и жестокая конкуренция. Произошла подмена экологической (защитной) цели на экономическую (кубометрическую).
Анализ исследований разных ученых [1,2,3] устойчивости защитных лесных насаждений сосны обыкновенной зоны сухих степей показывает, что решение этих вопросов так или иначе сводится к улучшению влагообеспеченности насаждений теми или иными способами. Но все эти благие намерения сразу
же вступают в неразрешимое в данных условиях противоречие с требованиями
увеличения продуктивности насаждений за счет создания их густыми, со
стройными очищенными от сучьев стволами.
Задача, успешно решаемая при достатке влаги в бореальной зоне, в принципе невыполнима в аридной зоне. Погоня за «двумя зайцами» приводит который раз к отрицательному результату.
Под продуктивностью защитных лесных насаждений южных степей следует в первую очередь понимать совокупность и полноту осуществляемых ими
защитных функций, а именно: долговечность, устойчивость к суровым климатическим, антропогенным и патологическим воздействиям. Следует наконец-то
определиться в том, что во главу угла поставить устойчивость защитных лесных насаждений, как единственный гарант выполнения главной задачи - осуществления защитных функций.
Невнимание к проведению уходов в защитных лесных насаждениях сосны обыкновенной или проведение их по нормативам бореальной зоны, приводит к тому, что эти насаждения развиваются в условиях избыточной густоты.
Полнота таких насаждений может достигать 1,9 и густота 2,5 тыс. шт./га, что
превышает оптимальные нормативы даже бореальной зоны в несколько раз.
Основной причиной низкой биологической устойчивости защитных лесных насаждений сосны обыкновенной в условиях сухих степей следует признать неправильный подход к воспитанию этих древостоев после смыкания.
Недостаточная интенсивность лесоводственных уходов, а, часто, и нежелание
их проводить вследствие их убыточности, приводит к тому, что эти насаждения
произрастают в условиях избыточной густоты. Развиваясь в условиях жесткой
внутривидовой конкуренции, деревья этих насаждений испытывают острый недостаток влаги, питания и света. В результате основная масса деревьев, составляющих насаждение, имеет неудовлетворительное состояние (50-62%).
Анализ таксационных и гидрофизических характеристик деревьев различного состояния показал, что между состоянием дерева и такими показателями как, коэффициент напряжения роста, степень развития кроны, влажность
174
и доля заболонной древесины в стволе, имеется тесная корреляционная связь
(0,63-0,81). Поэтому данные характеристики и выбраны нами в качестве показателей, определяющих биологическую устойчивость данной породы.
Исследования показали, что в редких насаждениях формируется особый
морфологический тип деревьев, который характеризуется такими значениями
вышеуказанных показателей, которые соответствуют наилучшей влагообеспеченности. Такие деревья имеют коэффициент напряжения роста менее 3 см/см²,
влажность заболонной древесины 111-148% и содержание ядровой древесины
менее 30%.
Последние исследования роли смолистых веществ в перенесении засушливых периодов [4,5] позволили нам предположить, что наряду с влагообеспеченностью немаловажную роль в вопросе биологической устойчивости сосны
играет и ее смолообеспеченность, которая может быть обеспечена только при
наличии мощного ассимиляционного аппарата, то есть хорошо развитой кроны.
Все это позволило нам определить основные условия биологической устойчивости сосновых насаждений на аренах сухих степей. Основными условиями являются достаточная влаго- и смолообеспеченность. В условиях сухих
степей, с периодически повторяющимися засухами таким условиям отвечают
насаждения с коэффициентом напряжения роста 1-2 см/см², протяженностью
кроны не менее 50% длины ствола и с содержанием ядровой древесины не более 30%. Получить такие насаждения можно только формируя их редкими с
густотой 250-300 (450) шт/га.
Библиографический список
1. Ахромейко, А. И. Бузулукский бор. Физиологическое обоснование разведения сосны в степях [Текст] / А. И. Ахромейко. – М.-Л.: Гослесбумиздат,
1950. – 264 с.
2. Высоцкий, Г. Н. Защитное лесоразведение : избранные тр. [Текст] / Г.
Н. Высоцкий.– Киев: Наукова думка, 1983. – 208 с.
3. Нестеров, В. Г. Вопросы современного лесоводства [Текст] / В. Г. Нестеров. –
М.: Сельхозгиз, 1961. – 384 с.
4. Новицкая, Ю. Е. Особенности физиолого-биохимических процессов в
хвое ели в условиях севера [Текст] / Ю. Е. Новицкая. – Л.: Наука, 1971. – 116 с.
5. Петинов, Н. С. Состояние воды в растительной ткани на базе современных физико-химических данных [Текст] / Н. С. Петинов, Н. А. Аскоченская// Водообмен растений при неблагоприятных условиях среды: сб. науч. тр.
– Кишинев: Урожай, 1975. – С. 4-13.
175
УДК 630*867.5
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ДРЕВЕСИНЫ ОСИНЫ ДЛЯ
ПРОИЗВОДСТВА ДРЕВЕСНОГО УГЛЯ
А.Р. Бирман, С.В. Авдашкевич
Санкт-Петербургская государственная лесотехническая
академия им.С.М. Кирова
Проведены исследования по использованию различных способов модифицирования
для подготовки древесного сырья при производстве древесного угля. Использование технологий модифицирования древесины осины позволяет малоиспользуемое природное сырье
превратить в промышленный материал с коренным улучшением его естественных физикотехнических, технологических и потребительских свойств.
Приблизительно до 60-х годов прошлого столетия древесный уголь предназначался главным образом для удовлетворения потребностей доменного производства, в связи с чем технология его получения формировалась с учетом запросов этой отрасли промышленности.
В последующий период появились новые потребители древесного угля.
Возникли дополнительные требования к его свойствам и, следовательно, к технологии его получения.
В существующих экономических условиях перед древесноугольной промышленностью ставятся следующие задачи:
- вовлечение в переработку древесины мягких лиственных пород и, прежде всего – осины;
- использование технологий модификации древесины осины с целью превращения малоиспользуемого природного сырья в промышленный материал с
коренным улучшением его естественных физико-технических, технологических
и потребительских свойств.
Создание дополнительной, а в перспективе – основной сырьевой базы для
производства высококачественного древесного угля марки А по ГОСТу 765784, практически повсеместно вырабатываемого из стволовой части древесины
твердолиственных пород, без значительных дополнительных затрат возможно
за счет модифицирования древесины осины уплотнением способами, теоретически и практически обоснованными в работах П.Н.Хухрянского,
М.С.Мовнина, Б.М.Огаркова, Н.В.Ващева, А.И.Калниньша и других видных
ученых. При этом из работы А.А.Новолокина, наиболее приближенной к рассматриваемой теме, следует, что рациональным способом уплотнения древесины осины для последующего ее использования при производстве древесного
угля является одноосное прессование, реализуемое с использованием серийного
отечественного прессового оборудования.
©
Бирман А.Р., Авдашкевич С.В., 2007
176
Для обеспечения прессования заготовок из свежесрубленной древесины
без ее предварительной пластификации на кафедре технологии лесозаготовительных производств разработан способ уплотнения древесины с использованием механических колебаний высокой интенсивности. Способ обеспечивает
интенсификацию процесса уплотнения за счет комплексного воздействия нескольких физических эффектов, таких как акустические потоки, давление, кавитация и др.
Сочетание столь разнородных физических эффектов приводит к нарушениям структурных связей в древесине, т.е. пластифицирует ее, что является
чрезвычайно важным при осуществлении ее уплотнения.
Проведенные нами предварительные исследования позволили установить, что ультразвуковые технологии при уплотнении древесного сырья могут
быть реализованы на базе семейства многофункциональных ультразвуковых
аппаратов, способных обеспечить на рабочих поверхностях прессформ ультразвуковые колебания с интенсивностью 3–10 Вт/см2 и амплитудой колебаний 3070 мкм. Литературные данные, подтвержденные экспериментально, свидетельствуют о том, что из разрешенного диапазона рабочих частот оптимальной является частота 22 кГц.
Современные исследования свидетельствуют о том, что сфера применения древесного угля чрезвычайно широка. Кроме доменного производства древесный уголь применяется в цветной металлургии, для производства кремния,
ферросплавов, магния, сероуглерода, электродов, антикоррозийной смазки,
дымного пороха, используется в качестве биотоплива, добавок в корм скоту,
утеплителя при строительстве.
Особо ценным материалом является активированный уголь – пористый
адсорбент, получаемый из древесины твердолиственных пород, используемый
при обработке и очистке водных сред, разделении газовых смесей или очистке
газов и воздуха, а также в качестве носителя катализаторов в различного рода
химических реакциях. Дисперсионный характер сил адсорбционного притяжения активированного угля указывает на его преимущества в случае адсорбции
органических веществ из водных растворов, а также бактерий, бактериальных
ядов. Значительное потребление активированного угля характерно для направления, предусматривающего очистку природных и сточных промышленных
вод.
Учитывая вышеизложенное, создание эффективных адсорбирующих материалов для очистки и регенерации воды, изготовляемых с использованием естественно возобновляемых ресурсов, которыми являются малоиспользуемая
древесина мягколиственных пород, является актуальным.
Известно, что биохимические методы очистки сточных вод эффективны
при удалении легко или сравнительно легко разрушающихся органических веществ и менее пригодны для удаления устойчивых веществ, определяющих величину ХПК (химическое потребление кислорода).
Рекомендуемые для этой цели методы: обратный осмос, вымораживание,
дистилляция и т.п. не достаточно разработаны, что не позволяет эффективно
177
использовать их для доочистки стоков. Кроме того, не все случаи допускают
использование химического окисления органических веществ.
Использование активированного угля в качестве адсорбента стойких органических веществ позволяет организовать очистку сточных вод с достаточно
высокой экономической эффективностью.
Пористость древесного угля является одной из причин его повышенной
реакционной способности. Как правило, с уменьшением пористости реакционные свойства твердых углеродных веществ снижаются.
Следует отметить, что макропоры мало увеличивают удельную поверхность угля. Суммарная поверхность макропор составляет всего около 1 м2/г, тогда как поверхность микропор может достигать 1000 м2/г сорбента.
Уплотнение древесины способствует созданию равномерно пористой адсорбционной микроструктуры. Причем при силовом воздействии на древесину
дополнительно вскрываются «глухие» микропоры.
Модификация древесины уплотнением способствует устранению механических повреждений структуры древесного угля, который по своей природе не
является сплошным телом; обычно он имеет большое количество трещин, происхождение которых весьма разнообразно. Часть трещин образуется еще в процессе роста дерева, но гораздо больше их образуется в процессе пиролиза древесины и при охлаждении древесного угля. Несомненно, в данном случае имеет
значение и специфика строения древесины, главным образом неравномерность
плотности, которая наиболее заметно изменяется в радиальном направлении
ствола, а также наличие годовых колец, смоляных ходов и различных дефектов
роста, например, крень, болезни и т.д.
Рекомендуемой степенью прессования древесины для обеспечения эффективной пористости древесного угля, используемого для очистки водосодержащих сред, можно считать 25%. Уплотнение свыше указанного значения снижает функциональное возможности сорбента и резко увеличивает его себестоимость за счет роста затрат на уплотнение древесины.
К положительным свойствам активированных углей, полученных из уплотненной древесины, следует отнести их прочность и сохранение заданных
фракционных размеров, что особенно важно при проведении процессов регенерации гранулированных сорбентов.
Внедрение результатов НИР кафедры технологии лесозаготовительных
производств по физическому модифицированию (уплотнению) древесины мягколиственных пород позволит в ближайшее время увеличить объемы производства высококачественного активированного угля, используя возобновляемое,
экологичное и экономически доступное сырье, решить проблему очистки природных и промышленных вод.
178
УДК 630*812:620.1
УЛЬТРАЗВУКОВОЕ ИСПЫТАНИЕ КРУГЛЫХ
ЛЕСОМАТЕРИАЛОВ
А.А. Ефимов
Марийский государственный технический университет
Предложена методика, позволяющая упростить процесс, снизить трудоемкость ультразвукового испытания и сертификации технической древесины в виде круглых лесоматериалов
Одно из актуальных направлений прикладных научных исследований для
нужд лесного комплекса - это разработка эффективной методики контроля качества произрастающих деревьев.
В последние годы исследователи стали широко применять ультразвуковой метод для контроля различных свойств древесины [1,2].
Известен
способ
ультразвукового
испытания
древесины
на стандартных образцах размерами 20 x 20 x 300 мм (последний размер вдоль
волокон), включающий закрепление образца, наклейку ферромагнитных пластинок на соответствующих местах образца древесины по ГОСТу 16483.31-74,
включение электромагнитного возбудителя, изменение частот колебания для
приведения образца в резонансное состояние [3]. Недостатком является высокая трудоемкость изготовления стандартных образцов прямоугольного сечения.
Цель данной статьи - предложить новый способ, позволяющий упростить
процесс и снижение трудоемкости ультразвукового испытания.
Способ ультразвукового испытания древесины на чурках содержит следующие действия. На чурке 1 (рис. 1), отпиленного или уже готового
с длиной L не менее 300 мм (от бревна или другого вида круглого лесоматериала), изготовляются верхний торец 2 и нижний торец 3 и наносятся на них
радиальные линии геодезических направлений с метками 4 (как пример, показаны метки № 1-6 от центра годичных колец до периферии чурки по следующим четырем геодезическим направлениям: С – север; В – восток; Ю – юг; З запад). Такие же линии с метками наносятся и на нижнем торце чурки. По радиусам от центра годичных колец измеряются значения радиуса R до соответствующих меток.
При этом верхний торец направлен в сторону вершины бывшего дерева, а
нижний торец ориентирован в сторону комля ствола дерева. Линии и метки на
верхнем и нижнем торцах чурки выполняются симметричными относительно
продольной оси 5 чурки, проходящей через центры годичных колец, расположенных на торцах чурки. Между метками обоих торцов образуются параллельные продольной оси чурки линии 6 измерений.
©
Ефимов А.А., 2007
179
Рис. 1 Схема меток по геодезическим направлениям
Относительно линий 6 между метками на торцах чурки (рис.2) прижимают датчик 7 и приемник 8 переносного ультразвукового прибора по соответствующим меткам на одной из линий геодезических направлений. Измерения по
нескольким повторам (не менее 4 - 5) выполняют дважды, меняя взаимные положения датчика и приемника. В этих случаях время прохождения ультразвуком расстояния L измеряется в двух вертикальных (по отношению к стволу
растущего дерева) направлениях по линии 6 измерений: 1) от комля к вершине;
2) от вершины к комлю.
По разнице ультразвуковых параметров оценивают техническое качество
древесины круглых лесоматериалов и экологическое качество территории, на
которой были заготовлены круглые лесоматериалы.
Рис. 2 Схема измерения ультразвуковых параметров древесины и расположения
датчика и приемника относительно торцов чурки
Закономерности изменения ультразвуковых параметров древесины вдоль
радиусов чурки выявляют по скорости ультразвука по следующей формуле:
v = L /τ ;
где v - скорость ультразвука, м/с;
L - длина чурки, мм;
Предлагаемый способ упрощает процесс ультразвукового испытания древесины круглых лесоматериалов за счет использования чурок, которые нетрудно получать на складах бревен. Данные ультразвуковых испытаний позволяют
также ориентировочно оценивать показатели и параметры механической прочности. Он позволяет в дальнейшем перейти на мониторинг процессов заготовки
древесины, а затем и к мониторингу выращивания древесины на данной терри-
180
тории. В этом случае появляется возможность оперативной сертификации древесины на складах, у лесозаготовителей и у деревообработчиков, а также в лесхозах и лесничествах, причем на корню в ходе лесоустройства. Предлагаемый
способ позволяет быстрее выявлять качество и экологическую эффективность
процессов всего лесопользования через ультразвуковые свойства древесины
круглых лесоматериалов, в перспективе обеспечить выход наиболее ценных
сортиментов.
Библиографический список
1. Колесникова, А. А. Исследование свойств древесины по кернам
[Текст]: Научное издание / А. А. Колесникова. – Йошкар-Ола: МарГТУ, 2002.178с.
2. Мазуркин, П. М. Экологический мониторинг (способы испытания деревьев) [Текст]: учеб. пособие / П. М. Мазуркин. - Йошкар-Ола: МарГТУ, 2003.
– 224с.
3. Уголев, Б. Н. Древесиноведение с основами лесного товароведения
[Текст] / Б. Н. Уголев. – М.: МГУЛ, 2001. -С.131.
181
УДК 674.812.002.612.2
ГИПОТЕЗА КОМПЛЕКСНОГО ИЗМЕНЕНИЯ СВОЙСТВ
МОДИФИЦИРОВАННОЙ ДРЕВЕСИНЫ В ПРОЦЕССЕ ЕЕ
КРАШЕНИЯ
О.А. Калинина
Воронежская государственная лесотехническая академия
Проанализированы способы крашения древесины при ее модифицировании и рассмотрена сущность явлений происходящих с древесиной при введении различных пропиточных агентов во время сушки.
Рассматривая возможные методы крашения древесины, допустимые при
дальнейшем модифицировании, следует отметить два пути. Первый заключается в том, что окраска древесины осуществляется с помощью красителей, которые вводятся в древесину. Этот путь является общепринятым. Второй путь
предусматривает введение в древесину реагентов, которые в результате химического взаимодействия с компонентами последней образуют красители. При
реализации обоих направлений возникают различные трудности. К числу главных проблем, которые должна решать современная теория крашения волокнистых материалов, относится определение характера связей, возникающих между красителями и волокном, и средств воздействия на интенсивность технологических процессов крашения с целью достижения высокой равномерности окраски. Разрешение последней проблемы является существенно важным для
улучшения крашения крупных древесных сортиментов (кряжей).
В случае, когда глубокое крашение происходит при химико-механическом
модифицировании древесины с пластификацией карбамидом, к красителям и к
их растворам должны быть предъявлены определенные требования, которые позволят привести полученный результат к более совершенным показателям всех
свойств. Основными требованиями к красителям и их растворам являются: они
не должны вступать в реакцию с карбамидом, снижать прочности древесины,
существенно менять pH, растворы, должны быть термоустойчивыми в процессе
сушки (до 130 ºС), иметь допустимую степень токсичности, невысокую стоимость, и быть просты в приготовлении и применении.
Известно, что готовые красители могут быть применены при сквозном
крашении, но их молекулы имеют достаточно большие размеры и краситель,
проникая в древесину, проходит только по водопроводящей системе и мало
проникает в стенки сосудов, что имеет прямое отношение к равномерности окраски материала. Этот фактор определяет качество выпускаемой продукции.
Кроме того, красители являются достаточно дорогими веществами, что объясняется сложностью технологического процесса их синтеза.
©
Калинина О.А., 2007
182
В связи с вышеизложенным, второй подход кажется более перспективным в плане реализации его в процессах крашения древесины лиственных пород. Основная концепция этого подхода заключается в том, что древесина рассматривается в качестве органического соединения, которое в результате реакции со вторым вводимым реагентом образует краситель. Решение проблемы таким путем имеет ряд преимуществ. Молекула вводимого в древесину реагента
имеет небольшие размеры, что в основном и обуславливает возможность ее
легкой диффузии. Проникновение реагента в глубь древесины позволит осуществить синтез красителя, который будет распределен по всему объему пропитанной древесины. Этим способом можно выявить годичные слои у древесины
лиственных пород. Такие вещества являются менее дорогими по отношению к
готовым красителям, что делает их применение экономически целесообразным.
Таким образом, задача сводится к тому, чтобы рассматривать древесину
как органическое соединение, которое должно вступить в реакцию с вводимыми реагентами с последующей направленной модификацией ее свойств.
Совмещение операций пропитки карбамидом, красителем, прессования и сушки, как по месту, так и по времени, обуславливает наличие различия между явлениями, происходящими в древесине.
Рассмотрим явления, происходящие в системе древесина − пропиточный агент при сушке, пропитке растворами и прессовании учитывая,
что все эти явления в данном случае тесно связаны между собой.
Сущность совмещенного способа заключается в том, что заготовку,
пропитанную 30% - ным раствором карбамида с влажностью порядка 80%,
в пропиточной установке под давлением вводится раствор первого реагента, выдерживается в течение 12-15 минут, после чего вводится раствор
второго реагента. При введении в древесину пропиточного агента процесс
пропитки может протекать либо по капиллярному механизму, если влажность древесины ниже точки насыщения волокна, либо по диффузионному,
если влажность древесины выше точки насыщения волокна. На практике
же в чистом виде очень трудно осуществить пропитку только по одному из
этих способов, чаще всего приходится говорить о превалирующем способе
пропитки. О нашем же совмещенном способе можно сказать, что в начале
процесса при наибольшей влажности древесины (в нашем случае древесина свежесрубленная и ее влажность W ≈ 80%) превалирующим является
диффузионный механизм, доминанта которого в ходе процесса падает.
Доминанта капиллярного механизма растет и капиллярный механизм постепенно становится основополагающим. Основная цель пропитки – обеспечить равномерное распределение пропиточного агента по длине и сечению изделия из древесины. Пропитка методом горячей ванны не дает равномерного распределения пропиточного агента внутри древесины, поэтому
создана установка для пропитки под давлением. После этого производится
сушка образца при температуре 110-130°С до влажности 5-8%, одновременно уплотняя ее путем приложения механического давления до степени
сжатия 30-50%. Сушка при более высоких температурах значительно влияет на цвет образца, в частности, черный цвет становиться на несколько то-
183
нов светлее.
После полной распрессовки на срезах наблюдаются крупные разрывы
в местах наибольшего скопления сосудов. Микроразрушения имеются у
всех сосудов и части клеток либриформа. Этот фактор существенно снижает качество образца, и следовательно, снижает светостойкость и блеск.
Поэтому, с точки зрения минимизации разрушения элементов строения
древесины при прессовании, целесообразно степень деформации ограничить 30%, что и реализовано в данном способе.
В конце процесса заготовку охлаждают до температуры 15-20°С.
Об однородности цвета древесины в процессе пропитки
Красители представляют собой сложные молекулы, имеющую значительную сопряженную систему. Для того, чтобы подобрать вводимые реагенты, а
это является основной задачей, следует рассмотреть некоторые вопросы химии
основных компонентов древесины.
Основную древесину составляют целлюлоза, гемицеллюлозы и лигнин.
Рассматривая эти соединения как исходные вещества для синтеза красителей,
следует отметить, что в их состав входят следующие функциональные группы:
гидроксильная, карбоксильная и альдегидная. Нарастить сопряженный фрагмент к макромолекулам компонентов древесины с целью создания красителя с
помощью гидроксильной и карбоксильной групп в результате простых реакций
не представляется возможным. Что же касается карбонильной группы, то она
является реакционноспособной и содержится в компонентах древесины.
Так, в лигнине находятся 0,21 моля карбонильных групп на одну финилпропановую единицу. Реакция требует особых условий. Например, возьмем
медь сернокислую (CuSO4) во взаимодействии с сульфидом натрия (Na2S).
Происходит реакция с образованием осадка:
CuSO4+ Na2S
CuS+Na2SO4
Приведенный анализ позволяет считать, что обработка древесины солями
металлов и аминами может рассматриваться как возможный способ крашения
древесины.
Легкоокисляемые соединения древесины в результате окисления образуют окрашенные продукты. Анализ роли реагентов позволит целенаправленно
составлять композиции и подбирать химические вещества для равномерного
крашения древесины.
184
УДК 630*377.45
ОБЕСПЕЧЕНИЕ УСТОЙЧИВОСТИ И УПРАВЛЯЕМОСТИ
ЛЕСОВОЗНОГО АВТОПОЕЗДА
Д.Д. Репринцев, В.В. Белозоров
Воронежская государственная лесотехническая академия
Рассмотрена возможность повышения устойчивости и управляемости движения лесовозного автопоезда путем оборудования его специальным поворотным устройством прицепа.
В последние годы, в связи с переходом экономики на рыночные условия,
лесопромышленные предприятия стремятся получить максимальную прибыль
от эксплуатации лесовозного подвижного состава. В связи с этим при проектировании лесовозных автопоездов все более актуальным становится обеспечение
их необходимой управляемости и устойчивости.
Как отмечается в исследованиях Я.Х. Закина, главной задачей проектирования является выбор параметров автомобиля, обеспечивающих наилучшие характеристики устойчивости и управляемости [1]. При этом во многих случаях
желательно, чтобы на очередном отрезке пути управляемые параметры движения автомобиля оставались постоянными. У автомобиля, обладающего хорошей устойчивостью, приближение этих параметров движения к желаемым возможно без вмешательства водителя в сравнительно широком диапазоне возмущений. Поэтому вероятность приближения фактических параметров движения
к желаемым при прочих равных условиях тем выше, чем выше устойчивость
автомобиля.
Исследования, проведенные А.С. Литвиновым, показали, что повышение
устойчивости движения автомобиля достигается за счет уменьшения чувствительности системы «водитель–автомобиль–окружающая среда» к воздействию
всех внешних сил или какой-либо их группе [2].
Не являются в этом случае исключением и внешние силы, возникающие в
результате воздействия водителя на рулевое управление. Поэтому повышение
устойчивости, достигаемой в результате обеспечения управляемых параметров
оптимальных значений, является сложной задачей.
Для обеспечения управляемости и устойчивости движения автопоездов
применяются различные способы, в том числе установка специальных устройств, управляющих осями или колесами прицепа.
Наибольшее распространение на автопоездах общего назначения получила схема управления поворотными колесами с помощью рулевой трапеции и
рулевого механизма, имеющего гидравлический привод. При этом управление прицепного звена производится с помощью гидравлического усилителя.
©
Репринцев Д.Д., Белозоров В.В., 2007
185
Недостатки такой конструкции заключаются в громоздкости и сложности привода, а также в появлении дополнительных зазоров в сопряженных узлах.
Важной особенностью поворотных устройств, применяемых для этих целей,
является противоречивость требований, предъявляемых к ним: для уменьшения
положительного сдвига траекторий прицепа при движении на поворотах у прицепов с передними управляемыми колесами значения передаточных чисел поворотных устройств должны составлять 2-2,5. Однако при этом ухудшается устойчивость автопоезда при прямолинейном движении, в связи с чем в пределах эксплуатационных скоростей необходимо снижать их величину до 1-1,5 [1].
Другая особенность поворотных устройств заключается в том, что они
способствуют возрастанию интенсивности «виляния» прицепов по мере возникновения и увеличения зазоров в шарнирных соединениях приводов этих
устройств.
Проанализировав известные типы поворотных устройств прицепных
звеньев, мы предложили электропневматическую схему управления передней
осью прицепа ГКБ-817 [3].
Достоинство этой схемы заключается в том, что в ней функции управления
выполняют электрические устройства, обеспечивающие высокое быстродействие, а силовые функции – пневматический привод.
При разработке данной системы использовался способ «главного показателя». В этом случае определение наиболее предпочтительного варианта электропневматического привода устройства для управления поворотной осью прицепа ГКБ–817 сводится к выбору структуры и параметров системы, соответствующих условному экстремуму наиболее важного показателя, такого, как равенство углов поворота управляемых колес тягача и прицепа, с запаздыванием
во времени и по расстоянию (передняя ось тягача – передняя ось прицепа). При
этом ставилась цель – максимально использовать узлы и детали серийно выпускаемой техники.
Пневматическая часть привода состоит из компрессора, установленного на
тягаче, приемного ресивера прицепа, соединительных магистралей и тормозного механизма поворотного круга.
Электрическая часть привода включает следующие основные элементы:
подвижный контакт, установленный на валу рулевой колонки тягача; два неподвижных контакта, закрепленных на корпусе рулевой колонки тягача; контактный прерыватель и электрический датчик пройденного пути, установленные в коробке передач тягача; реле времени; трехфазный синхронный электродвигатель; электромагнит электропневматического клапана; соединяющие провода.
При повороте рулевого колеса тягача на угол более 20° контакты, установленные на рулевой колонке, замыкаются, тем самым подается напряжение
на контактный прерыватель и датчик пройденного пути, настроенный на расстояние от передней оси тягача до передней оси прицепа. После прохождения
прицепом места, где произошло замыкание контактов на рулевой колонке,
электрический датчик пройденного пути срабатывает и подает напряжение на
электромагнитный клапан. Электропневматический клапан соединяет ресивер
186
прицепа с тормозным механизмом поворотного круга, при этом происходит
разблокирование последнего. Под действием боковой силы происходит поворот
управляемой оси прицепа автопоезда.
Использование предлагаемого нами устройства для управления поворотной осью прицепа позволяет повысить устойчивость автопоезда, вследствие чего его критическая скорость прямолинейного движения автопоезда возросла на
10-15 км/ч, а при повороте из-за срабатывания механизма запаздывания – улучшить «вписываемость» прицепных звеньев автопоезда на 8-10%.
Библиографический список
1. Закин, Я. Х. Конструкция и расчет автомобильных поездов [Текст] :
учеб. пособие / Я. Х. Закин, М. М. Щукин, С. Я. Марголис. – М.: Машиностроение, 1968. – 329 с.
2. Литвинов, А. С. Управляемость и устойчивость автомобиля [Текст] :
учеб. пособие / А. С. Литвинов. – М.: Машгиз, 1963. – 266 с.
3. Пат. 2240247 Россия, МПК – 7 В62 D 13/02. Устройство для управления
поворотной осью прицепа автопоезда / Д. Д. Репринцев, В. В. Белозоров, И. Т.
Черных; заявитель и патентообладатель ВГЛТА. – № 2003103224/11; заявл.
03.02.03., опубл. 20.11.04. Бюл. № 32.
187
УДК 674.81+691
МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ СВОЙСТВ СТЕКЛО- И
ДРЕВЕСНОСТЕКЛОВОЛОКНИСТЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ
МАТЕРИАЛОВ
Т.Н. Стородубцева, В.И. Харчевников, Б.А. Бондарев
Воронежская государственная лесотехническая академия
Перечислены результаты исследований строительных композиционных материалов,
состоящих из компонентов, отличающихся генезисом и свойствам, предлагаемых для объектов специального назначения на транспорте.
С учетом острой необходимости повышения экономической эффективности широкого использования техногенных продуктов лесного комплекса, химической промышленности и местного сырья основное внимание уделялось разработке стекло- и древесностекловолокнистых композиционных материалов
(СВКМ, ДСВКМ), главные исходные компоненты которых отличались по генезису и свойствам.
Совершенствование КМ потребовало детального изучения как взаимосвязи появляющихся внутренних сил и определяющих их факторов в процессах
изготовления конструкций, так и в условиях их эксплуатации при различных
видах силовых воздействий.
На основе теоретических обобщений и экспериментальных исследований
созданы новые эффективные древесноволокнистые композиционные материалы (ДСВКМ) на смоле ФАМ для изделий и элементов конструкций специального назначения, рекомендованных к применению на объектах промышленного
и транспортного строительства, находящихся в особых условиях эксплуатации.
Их техническая, социальная и экономическая эффективность определяется использованием в качестве компонентов продуктов глубокой переработки древесины, сельского хозяйства, промышленности и местного сырья, подвержена
эксплуатационными испытаниями [1,2].
При строительстве промышленных и транспортных объектов специального назначения в изделиях и конструкциях достаточно широко применяются
различные композиционные материалы (КМ), вид которых определяется реализуемыми технологическими процессами создаваемых производств и условиями
их эксплуатации.
К ним относятся: покрытия полов, фундаменты, корпуса аппаратов и емкостей, лотки и отстойники сточных технологических вод, шпалы верхнего строения железных дорог и метрополитенов, лесовозных и трамвайных путей, переезды, платформы, подверженные воздействию химически активных жидкостей,
грунтовых вод, атмосферных осадков, переменных температур, что и предопределяет необходимость обеспечения особых свойств этих материалов, основ©
Стородубцева Т.Н., Харчевников В.И., Бондарев Б.А., 2007
188
ными из которых являются коррозионная стойкость, долговечность и экологическая безопасность.
В частности, выполнены следующие исследования:
- с позиций положений физической и коллоидной химии, физико-химии
поверхностей и механики композиционных материалов даны оценки свойствам
структурообразующих компонентов ДСВКМ, которые определяют эксплуатационные характеристики и технологию производства изделий;
- установлены зависимости основных механических характеристик полимерно-песчаной матрицы композитов на смоле ФАМ от массовой доли и
свойств основных компонентов, технологии их дозирования и перемешивания;
- оценена роль синергетических эффектов взаимодействия компонентов
ДСВКМ, определено их оптимальное количество, обеспечивающее получение
заданных свойств конечных композитов и экономическую целесообразность;
- предложены математические модели, отражающие физический смысл
процессов формирования структуры разрабатываемых композиционных материалов и модели, необходимые для расчета напряжений и деформаций в объеме
ДСВКМ под действием факторов температуры и усадки, проявляющихся при
полимеризации смолы ФАМ, технологическом прогреве изделий, остывании и
увлажнении в процессе эксплуатации, количественной оценки их влияния и установлении причин появления микро- и макротрещин, а затем их устранения;
- доказана возможность комплексной защиты композиционных материалов от
разрушающего действия давления стесненного набухания древесного армирующего
заполнителя, которая осуществляется за счет введения в состав матрицы ДСВКМ
модифицирующих наполнителей, а также пропитки поверхности изделия и этого заполнителя. В последнем случае был впервые использован тот факт, что процесс разбухания древесины прекращается при достижении предела насыщения, равного 30
%, не только водой, но и гидрофобизирующими соединениями, предпочтительно линейных углеводородов, и оценена их стойкость в условиях эксплуатации;
- разработаны новые методы прогнозирования и оценки длительной прочности и ожидаемой долговечности ДСВКМ по результатам исследований процессов ползучести при изгибе без и при одновременном обводнении, определены величины пределов длительного сопротивления, длительных секущих модулей деформации, коэффициентов длительности и длительных деформационных коэффициентов, а также доказана неизменность структуры материала при
такого рода воздействиях;
- экспериментально подтверждена гипотеза о том, что условный предел
пропорциональности - это напряжение, соответствующее пределу длительного
сопротивления конструкционных композиционных материалов;
- скорректированы на уровне изобретений теоретические и предложены
на их основе производственные составы ДСВКМ, определены их физико-механические характеристики, а также коэффициенты химической и атмосферо-стойкости;
- разработаны технологические линии и регламенты производства изделий, в том
числе железнодорожных шпал и брусьев стрелочных переводов, методом литьевого
виброформования (отливки), снабженных новым видом узла крепления к ним рельсов;
189
- определены области применения из ДСВКМ на объектах промышленного и транспортного строительства для изделий специального назначения, применяемых в суровых условиях эксплуатации, доказана их экологическая безопасность и технико-экономическая эффективность.
Так, разработаны методы прогнозирования и оценки длительной прочности
ДСВКМ по результатам исследований процессов ползучести при изгибе без и при
одновременном погружении в воду, суть которых состоит в следующем:
Экспериментально установлено, что ДСВКМ обладает упругими, вязкими,
высокоэластическими и пластическими свойствами и соответствующими деформациями под действием постоянной изгибающей нагрузки, которые количественно и качественно по-разному проявляются при различных скоростях нагружения,
величинах напряжений, временных отрезках и средах проведения экспериментов.
Зафиксировано, что с уменьшением величины постоянного напряжения увеличивается время до момента достижения изгибаемым образцом прогиба, равного
полному упругому, и соответствующей ему точки перегиба на кривых ползучести. Эта
зависимость носит криволинейный характер, что позволило представить ее с помощью высокоточных аппроксимирующих функций и определить минимальные значения напряжений, то есть предел длительного сопротивления ДСВКМ на требуемый
срок эксплуатации изделия или теоретически ожидаемую долговечность; получить
значения коэффициентов длительности и длительных деформационных коэффициентов как при постоянных температуре и влажности окружающей среды, так и для случая экспозиции в воде под постоянной нагрузкой. Численное равенство этих коэффициентов подтвердило эффективность мер гидрофобизирующей защиты и позволило
констатировать неизменность структуры разработанного материала, т.к.
чи.в
чи
К чи
дл.мин ≈ К дл.мин ≈ 0,50 , а также К пц = 0,50 , и подтвердить гипотезу о том, что условный предел пропорциональности определенный релаксационным методом,- это не
только максимальное напряжение, при котором не возникает структурных изменений
в материале, но и напряжение, соответствующее пределу длительного сопротивления
конструкционных композиционных материалов, в том числе ДСВКМ, как при постоянных температуре и влажности окружающей среды, так и всестороннем увлажнении.
Полученные результаты позволяют рекомендовать отказ от длительных
испытаний на ползучесть, заменяя их получением значения предела пропорциональности релаксационным методом.
Библиографический список
1. Харчевников, В. И. Водостойкий композиционный материал на основе
отходов лесного комплекса для железнодорожных шпал [Текст] / В. И. Харчевников, Т. Н. Стородубцева // Изв. вузов. Строительство. 2002. № 12.- С. 74-78.
2. Стородубцева, Т. Н. Некоторые итоги исследований напряженного состояния в объеме ДСВКМ под действием физических факторов [Текст] / Т. Н.
Стородубцева // Вестник Московского государственного университета леса Лесной вестник. 2005. № 017.- С. 11-14.
190
УДК 630*378+630*848.004.8-493
ИССЛЕДОВАНИЕ ИНТЕНСИВНОСТИ ВОДОПОГЛОЩЕНИЯ
И ВОЗДУХОВЫДЕЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ ЩЕПЫ В
ПРОЦЕССЕ НАМОКАНИЯ
И.В. Четверикова
Воронежская государственная лесотехническая академия
Проведены исследования по интенсивности водопоглощения и воздуховыделения
технологической щепы. Разработаны специальная установка и методика эксперимента, позволяющая проследить связь между исследуемыми процессами и выявить закономерности их
изменения в зависимости от породы древесины, первоначальной плотности и времени намокания.
Интенсивность процесса водопоглощения древесины зависит от физических особенностей и специфики ее анатомического строения, в большей степени от структуры водопроводящих путей, меры смачивания, плотности и т. д.
При соприкосновении воды с древесиной полного смачивания не происходит,
подтверждается, что мера смачивания практически не зависит от породы и в
среднем составляет 0, 89.
Для определения коэффициента интенсивности водопоглощения щепы
определялось количество водопроводящих путей на единицу площади древесины, которое подсчитывалось после микросъемки при увеличении снимка в 56
раз. Активный радиус капилляра находился с помощью специальной установки, основанной на методе капиллярной газопроницаемости.
Анализ проведенных нами экспериментов показал, что величина активного радиуса капилляра и характер ее изменения по длине и диаметру ствола
зависит от породы. Пористость древесины зависит от плотности и является ее
обратной величиной. У одной и той же породы поверхностная пористость изменяется как в пределах одного и того же годичного слоя, так и по высоте и
диаметру ствола.
Геометрия порового пространства древесины отличается исключительной
сложностью и не поддается непосредственному математическому описанию,
поэтому и создаются упрощенные модели структуры [1]. Все теоретические исследования водопоглощения технологической щепы связаны с изменением ее
плотности при полном погружении в воду [2]. Количество древесинного вещества не меняется, изменяется количество воды и воздуха в процессе водопоглощения щепы. Вода, вытесняя воздух, проникает в частицы щепы, увеличивая тем самым ее плотность.
Нами была проделана серия опытов по наблюдению за изменением плотности технологической щепы, при этом использовался гидростатический способ.
©
Четверикова И.В., 2007
191
Контейнер со щепой предварительно взвешивался в воздухе, а затем в жидкости, текущая плотность рассчитывалась по известной формуле
ρ =
m1
⋅ ρв ,
m1 − m2 + m3
где m1 – масса гирь, уравновешивающих щепу в воздухе, кг;
m2 – масса гирь, уравновешивающих контейнер со щепой в жидкости, кг;
m3 – масса груза в жидкости, который затапливает контейнер (с учетом веса
контейнера и приспособления для закрепления груза), кг.
При длительном нахождении в воде интенсивность водопоглощения древесины снижается. Основное количество жидкости щепа впитывает в первые
минуты, и в дальнейшем этот процесс значительно затормаживается [3].
Напрямую с процессом водопоглощения связан и процесс воздуховыделения, необходимо только учитывать при расчетах объема воздуха как изменение самой плотности измельченной древесины по периодам намокания, так и
изменение пористости в зависимости от времени заполнения пор.
Для определения объема воздуха, выделяемого из щепы, была разработана специальная установка и методика проведения эксперимента. Эксперимент
проводился в лаборатории кафедры технологии лесозаготовительных производств Санкт-Петербургской лесотехнической академии.
Установка состоит из основного бака с крышкой, дополнительной емкости с водой, измерителя воздуха, стеклянной трубки с краником для регулировки подачи воздуха и шланга.
Механизм определения объема воздуха таков. В бак засыпается технологическая щепа (предварительно определяется ее плотность), сверху бак
плотно закрывается крышкой. В крышке предусмотрено отверстие с резиновым
уплотнительным кольцом, предназначенное для ввода стеклянной трубки, одна
сторона которой через шланг выводится к измерителю воздуха. Измеритель
представляет собой стеклянную метровую трубку с размерной шкалой делениями в 1 мм, одна сторона измерителя запаяна, другая открыта и служит для
заполнения его водой. На крышку бака ставится дополнительная емкость, измеритель заполняется водой вручную, переворачивается в дополнительную емкость с водой свободным концом, к которому подводится шланг. Измеритель
фиксируется зажимным поддерживающим устройством, предварительно отмечается на шкале уровень воды. После этого бак постепенно до самого края заливается водой через шланг, подведенный снизу. Затем открывается краник и
оставляется в таком положении до тех пор, пока из измерителя под давлением
поступающего воздуха будет вытесняться жидкость до момента ее стабильного
положения.
Часть воздуха защемляется, большее его количество выходит в измеритель и остается в верхней его части. Если жидкость из измерителя вытиснится
полностью, то необходимо краником перекрыть подачу воздуха, с помощью
поворотного механизма перевернуть измеритель свободным концом вверх,
192
снова заполнить его водой и повторить все действия до стабилизации уровня
воды.
Замеры образовавшейся пустоты ведутся от предварительной отметки до
полученного стабильного уровня воды. Зная диаметр измерителя, цену его деления и отметки уровня воды, по полученным значениям можно рассчитать
объем выделившегося из щепы воздуха. Естественно, чем меньше начальная
плотность древесины, тем выделяется большее количество воздуха и, соответственно, наоборот. Мы в своих опытах отталкивались от достаточно большой
первоначальной плотности технологической щепы, для того чтобы экспериментально доказать, что даже не в сухом состоянии измельченная древесина
способна к интенсивному водопоглощению и воздуховыделению.
Анализ проведенных экспериментов по определению активноанатомического радиуса капилляра показал, что его величина и характер изменения по длине и диаметру ствола зависит от породы (древесина ясеня обладает наибольшей величиной активного радиуса, древесина пихты – наименьшей). По высоте ствола значение радиуса у лиственных пород снижается, у
хвойных – повышается.
Интенсивность водопоглощения и воздуховыделения как щепы, так и лесоматериалов в целом описывается аналогичными уравнениями и подчиняется
одним и тем же закономерностям.
Объем воздуха Vв при критической плотности технологической щепы составил 37 % от объема щепы, минимальное значение выделяемого воздуха в
пересчете на коэффициент пористости составит Vв=30,3 %. При сравнении экспериментально полученного объема выделяемого воздуха с теоретическими
значениями погрешность опыта составила не более 7%. Это связано, вопервых, с изменением пористости по высоте и диаметру ствола, в зависимости
от того, из какой части ствола получена исследуемая технологическая щепа, вовторых, с потерей определенной части воздуха при неоднократном заполнении
измерителя водой.
Библиографический список
1. Лихонос, Е. Ф. Учет сырья в гидролизной промышленности древесины
[Текст] / Е. Ф. Лихонос. – М.: Лесн. пром-сть, 1974. – 46 с.
2. Васильев, С. Б. Обоснование технологии и оборудования производства
щепы при неистощительном лесопользовании [Текст]: автореф. дис. … д-ра.
техн. наук: 26.06.02 / С. Б. Васильев. – СПб:ЛТА., 2002. – 36 с.: ил.
3. Минаев, А. Н. Обоснование перспективных технических и технологических решений гидротранспорта измельченной древесины в контейнерах
[Текст]: автореф. дис. … д-ра. техн. наук: 30.09.94 / А. Н. Минаев. – С-Пб, 1994.
– 33 с.
193
Рефераты
УДК 630*165.3+630*174.754
Галдина Т.Е. Рост сосны обыкновенной (Pinus sylvestris L.) разного географического происхождения в лесостепи С. 6-11.
Происхождение семян оказывает существенное влияние на биологические особенности экотипов в новых условиях роста, что сказывается на всех хозяйственно важных показателях сосны
(сохранность, продуктивность, качество стволов). Сохранность культур характеризует приспособленность данного географического экотипа к новым условиям местопроизрастания. Обследование опытных культур в возрасте 45 лет позволило установить, что наилучшая сохранность
у местных происхождений, а также у экотипов из близких экологических условий произрастания.
Табл. 3.
УДК 630*232+630*174.754
Малышев В.В. Закономерности хода роста и оптимизация режимов выращивания культур сосны обыкновенной С. 12-16.
Разработаны оптимальные режимы выращивания культур сосны обыкновенной для получения максимального объема стволовой древесины на 1 га за 1 год лесовыращивания. На основании постоянных пробных площадей и массового табличного материала, с использованием
методов математического моделирования, получены зависимости средней высоты, среднего
диаметра, сумм площадей сечений и запаса стволовой древесины на 1 га в возрастной динамике. Вычислено значение целевой функции получения максимального объема стволовой
древесины при минимальном сроке выращивания.
Табл. 1., Ил. 1.
УДК 630*232.+630*174.754
Перов В.Ф. Рост и состояние культур сосны обыкновенной и сосны крымской в
условиях сухой степи на Приерусланских песках С. 17-20.
В результате исследований было установлено, что в условиях местопроизрастания свежего
бора (А2) культуры сосны обыкновенной формируют насаждения III класса бонитета, а сосны крымской IV.
Табл. 1., Ил. 1.
УДК 630*232.31+630*176.282
Славский В.А. Урожайность и качество плодов ореха грецкого С. 21-24.
Определены качественные и количественные показатели, выявлены зависимости урожайности плодов ореха грецкого в зависимости от генотипа и условий произрастания.
Табл. 2., Ил. 1.
УДК 630.24 + 630.237.4
Беляева Н.В. Влияние комплексного ухода за лесом на устойчивость лесных
фитоценозов С. 25-31.
Приведены результаты исследований влияния комплексного ухода за лесом (сочетания рубок ухода с внесением минеральных удобрений) на устойчивость лесных фитоценозов. Установлено, что при рациональном режиме комплексного ухода за лесом с учетом породы и
типа леса устойчивость лесных фитоценозов не нарушается, а по сравнению с рубками ухода
даже повышается.
Табл. 3., Ил. 2.
194
УДК 630.226
Бугаев В.А., Овсянникова А.М. Реконструкция малоценных насаждений С. 32-36.
Рассмотрены принципы реконструкции малоценных лесов. Описаны способы данных мероприятий. На примере отдельных объектов представлена методика определения фонда реконструкции.
УДК 630*24+630*237.4+630*174.754
Григорьева О.И., Ледяева А.С. Влияние рубок ухода на изменение площади сечения древостоев в сосновых насаждениях С. 37-41.
Изучено влияние рубок ухода и комплексного ухода на изменение площади сечения сосновых древостоев, а также выявлены закономерности, которым подчиняется это изменение.
Установлены предельные нормы разреживаний сосновых древостоев.
Табл. 5.
УДК 630*525+630*176.321.3
Иванова Н.С. Оценка товарной структуры березняка на лесосеке по ступеням
толщины С. 42-47.
На основе результатов сплошного перечёта деревьев на таксационном выделе и будущих лесосеках березняка в учебно-опытном лесхозе Республики Марий Эл выявлены статистические закономерности распределения деревьев берёзы по ступеням толщины и группам товарности деловых и дровяных деревьев.
Табл. 4., Ил. 3.
УДК 630*182
Свиридов Л.Т. О сохранении биоразнообразия лесных экосистем и устойчивом
их развитии С. 48-53
Представлен материал о сохранении биоразнообразии лесных экосистем и устойчивом их
развитии. Приведены конкретные данные о биоразнообразии, основные аспекты управления
и критерии устойчивого развития лесных экосистем.
УДК 631.417.2
Таранков В.И., Свиридов Д.Г. Запасы гумуса и органического углерода в почвах различных типов дубовых насаждений С. 54-57.
Рассмотрены литературные источники, согласно которым были установлены такие показатели, как плотность почвы, процент содержания гумуса в почве и углерода в гумусе, а в натуре
для каждого типа почв была исследована мощность гумусового горизонта. В результате математических расчетов получены характеристики почв на обследованных пробных площадях
и составлены выводы, согласно которым было установлено, как изменяются различные показатели почв. По литературным данным отмечено влияние на почву лесной растительности,
атмосферных осадков, подстилки. Выявлены источники поступления органического вещества в почву. Показано, что между лесной растительностью и почвами существует круговорот
веществ.
Табл. 1.
УДК 630*181.65
Уржумцева И.С., Мазуркин П.М. Сравнение лесных и городских древостоев по
радиальному приросту заболони деревьев С. 58-64.
195
Проведен сравнительный анализ состояния лесных и городских древостоев на основе статистического моделирования по биотехническому закону. Получены закономерности радиального прироста древостоев различного породного состава, а также показаны графики изменения
радиального прироста заболони деревьев в зависимости от условий среды произрастания.
Табл. 4., Ил. 4.
УДК 630*232.12+630*176.232.3
Царев В.А. Экономическая оценка внедрения сортовых тополей в лесные культуры ЦЧО (на примере Воронежской и Тамбовской областей) С. 65-72.
Представлены сведения о лесном фонде ЦЧО, продуктивность, таксовая оценка ликвидной
древесины евро-американских сортов тополя и экономический эффект от их внедрения в
культуры ЦЧО.
Табл. 6.
УДК 630*26
Тихонова Е.Н., Пышкин В.Н. Фитомелиоративные мероприятия на пастбищных
землях Астраханской области С. 73-76.
Обобщены многочисленные литературные данные об истории проведения пескозакрепительных работ на Астраханских песках. Дана характеристика наиболее перспективным культурам, используемым для мелиоративных работ. Рекомендованы оптимальные сроки и способы создания фитомелиоративных насаждений.
УДК 630*176.322.6
Чернышов М.П., Перевертайло О.Г. Состояние и ресурсный потенциал дубрав
Центрального и Южного федеральных округов России С. 77-86.
Выполнена комплексная оценка состояния и ресурсного потенциала дубовых лесов. Установлены существенные различия в продуктивности высоко- и низкоствольных дубрав по
субъектам Центрального и Южного федеральных округов Российской Федерации.
Табл. 6.
УДК 630*383.4
Афоничев Д.Н. Расчет усилий в конструктивных элементах сборных дорожных
покрытий с учетом многоосевой внешней нагрузки С. 87-92.
Статья посвящена расчету усилий в конструктивных элементах сборных дорожных покрытий. Представлены зависимости для определения усилий от действия внешней многоосевой
подвижной нагрузки и результаты реализации модели нагружения на ЭВМ.
Ил. 3.
УДК 630*36
Пилюшина Г.А., Прусс Б.Н. Особенности эксплуатации и пути повышения работоспособности лесозаготовительных машин С. 93-97.
Проведен анализ условий эксплуатации и выявлены основные причины отказов лесозаготовительных машин манипуляторного типа. Предложены пути повышения работоспособности
лесозаготовительных машин за счет обеспечения заданного уровня герметичности гидравлических систем.
УДК 674.093.6 – 413.82
Максименков А.И., Анпилогов Р.Н. Анализ факторов и обоснование выбора
196
критериев, определяющих точность пиления полосовыми пилами С. 98-102.
Определены факторы и обоснованы критерии определяющие точность распиловки лесоматериалов на лесопильных рамах и ленточнопильном оборудовании. Предложены направления
теоретических исследований, позволяющих обеспечить повышение качественных характеристик получаемой пилопродукции.
УДК 674.815-41
Послухаев Н.И., Разиньков Е.М. Параметры процесса шлифования мебельных
щитов С. 103-108.
В работе приведены результаты исследованы основные параметры шлифования мебельных
щитов: угловые параметры при микрорезании; траектория микрорезания шлифующим зерном; длина контакта зерна с деталью; толщина слоя, снимаемого одним зерном; суммарная
толщина снимаемого слоя.
Ил. 3.
УДК 674.815-41.07
Филонов А.А., Боровик Ю.С., Ткачева О.А. Совершенствование технологии облицовывания древесно-стружечных плит строганным шпоном С. 109-113.
Предложен способ снижения материалоемкости мебельных щитов путем совершенствования
технологии облицовывания древесно-стружечных плит строганым шпоном, позволяющий
снизить расход древесины ценных и твердолиственных пород на изготовление шпона, а также лакокрасочных материалов при последующей отделке. Представлены результаты исследования процесса впитывания клея в древесно-стружечную плиту применительно к процессу
облицовывания. Рассмотрен процесс пропитки шпона и факторы, оказывающие на него
влияние.
Табл. 1., Ил. 3.
УДК 674.817-41
Никулина Н.С., Никулин С.С., Филимонова О.Н., Болдырев В.С. Защитная обработка древесно-волокнистых плит низкомолекулярыми сополимерами на основе побочных продуктов нефтехимии с различным содержанием стирола С.
114-120.
Приведены исследования по влиянию содержания стирола в низкомолекулярных полимерных материалах, полученных из побочных продуктов нефтехимии, на свойства ДВП. Установлено, что наиболее существенное влияние оказывают содержание стирола в полимерном
материале, температура и продолжительность термообработки.
Табл. 5.
УДК 630.232.427
Бартенев И.М., Титов П.И. Взаимодействие с почвой гибкого обода уплотняющего катка лесопосадочной машины С. 121-124.
Проведены исследования взаимодействия гибкого обода почвоуплотняющего катка лесопосадочной машины с почвой. Установлены зависимости нагрузки на каток от его геометрических параметров и сопротивления перекатывания катка от нагрузки на него.
Ил. 3.
УДК 631.3.072
Донцов И.Е. Вынужденные колебания комбинированных машинно-тракторных
197
агрегатов (КМТА) С. 125-134.
Рассмотрены моделирования колебаний КМТА с навесными орудиями, в том числе фронтальными, боковыми и задненавесными. Получены дифференциальные уравнения вынужденных колебаний КМТА в горизонтальной плоскости.
Ил. 4.
УДК 630*377.45+621.8-82
Емтыль З.К., Попиков П.И., Бухтояров Л.Д., Сидоров А.А. Обоснование параметров демпфера гидропривода технологического оборудования манипуляторного типа лесовозного автопоезда С. 135-138.
Рассмотрена конструктивная схема нового демпфирующего устройства, на основании которой составлена и решена математическая модель, подтверждающая теоретические исследования с экспериментальными данными.
Ил. 2.
УДК 630.241
Лушников М.В. Проблемы и перспективы механизации осветления в лесных
культурах, создаваемых на вырубках С. 139-142.
Рассматривается причина низкого уровня механизации работ по осветлению лесных культур
на вырубках. Для производительного и эффективного осветления лесных культур предлагается использование ротационно-консольного кустореза с ударно-режущими рабочими органами.
Ил. 1.
УДК 621.879.322
Макеев В.Н., Плешков Д.Д., Сидоров А.А. Усовершенствование кинематической схемы стрелоподъемного механизма гидравлического экскаватора в условиях лесного комплекса С. 143-147.
Проведен анализ конструкций стрелоподъемных механизмов (СПМ) гидравлических экскаваторов. Установлено, что наиболее эффективное использование гидравлических экскаваторов сдерживается постоянными параметрами СПМ. Для решения задачи максимального использования гидравлических экскаваторов, с целью увеличения их производительности,
предлагается изменение кинематической схемы СПМ с использованием дополнительного
звена.
Ил. 4.
УДК 630*:65.011.54
Посметьев В.И., Тарасов Е.А. Оценка эффективности применения энергосберегающей системы на лесном почвообрабатывающем агрегате С. 148-151.
Определен конструктивный объем пневмогидроаккумулятора, достаточный для удовлетворительной работы имеющихся на лесном почвообрабатывающем агрегате гидродвигателей.
Проведен анализ эффективности каждой из предлагаемых рекуперативных систем. Установлено, что наиболее существенное влияние на экономию топлива оказывает рекуперативная
система подвески ходовой части трактора.
Табл. 1., Ил. 2.
УДК 630*611
Родионов А.В. Обоснование единой ресурсосберегающей технологии рубки и
198
восстановления леса (на примере республики Карелия) С. 152-157.
Обосновывается положение о том, что повышение эффективности рубки и восстановления
леса в регионе требует комплексного обоснования технологических и экономических решений, что представляет собой крупную научную проблему.
Ил. 1.
УДК 631.316
Хорошавин В.Н., Жданов Ю.М., Несмачнов Р.Е. Обосновании епринципа действия и функциональной схемы устройства для обработки приствольных полос
в лесных насаждениях С. 158-163.
Даны классификация и анализ устройств для обработки приствольных полос в многолетних
насаждениях. Проведен кинематический расчет процесса образования управляющего воздействия следящих устройств, на основании которого выбрана схема следящего устройства как
наиболее эффективная для работы в лесных насаждениях.
Ил. 2.
УДК 674.049.2
Юдин Р.В. Обоснование параметров пульсирующего режима уплотнения древесины С. 164-171.
Одним из методов повышения прочностных свойств древесины является ее модификация и
прессование. Для теоретического описания процессов деформирования древесных материалов используют дифференциальные уравнения, описывающие как процесс ползучести древесины, так и процесс релаксации напряжений.
Ил. 2.
УДК 630*26+630*174.754
Алимов Н.И. Условия биологической устойчивости защитных лесных насаждений сосны обыкновенной на аренах сухих степей С. 172-174.
Явление усыхания молодых лесных насаждений культур сосны на песках юго-востока России является острой проблемой. Анализ исследований вопроса устойчивости защитных лесных насаждений сосны обыкновенной зоны сухих степей показывает, что решение этих задач так или иначе сводится к улучшению влагообеспеченности насаждений теми или иными
способами.
УДК 630*867.5
Бирман А.Р., Авдашкевич С.В. Использование древесины осины для производства древесного угля С. 175-177.
Проведены исследования по использованию различных способов модифицирования для подготовки древесного сырья при производстве древесного угля. Использование технологий модифицирования древесины осины позволяет малоиспользуемое природное сырье превратить
в промышленный материал с коренным улучшением его естественных физико-технических,
технологических и потребительских свойств.
УДК 630*812:620.1
Ефимов А.А. Ультразвуковое испытание круглых лесоматериалов С. 178-180.
Предложена методика, позволяющая упростить процесс, снизить трудоемкость ультразвукового испытания и сертификации технической древесины в виде круглых лесоматериалов
Ил. 2.
199
УДК 674.812.002.612.2
Калинина О.А. Гипотеза комплексного изменения свойств модифицированной
древесины в процессе ее крашения С. 181-183.
Проанализированы способы крашения древесины при ее модифицировании и рассмотрена
сущность явлений происходящих с древесиной при введении различных пропиточных агентов во время сушки.
УДК 630*377.45
Репринцев Д.Д., Белозоров В.В. Обеспечение устойчивости и управляемости
лесовозного авто С. 184-186.
Рассмотрена возможность повышения устойчивости и управляемости движения лесовозного
автопоезда путем оборудования его специальным поворотным устройством прицепа.
УДК 674.81+691
Стородубцева Т.Н., Харчевников В.И., Бондарев Б.А. Методы исследования
свойств стекло- и древесностекловолокнистых композиционных материалов С.
187-189.
Перечислены результаты исследований строительных композиционных материалов, состоящих из компонентов, отличающихся генезисом и свойствам, предлагаемых для объектов
специального назначения на транспорте.
УДК 630*378+630*848.004.8-493
Четверикова И.В. Исследование интенсивности водопоглощения и воздуховыделения технологической щепы в процессе намокания С. 190-192.
Проведены исследования по интенсивности водопоглощения и воздуховыделения технологической щепы. Разработаны специальная установка и методика эксперимента, позволяющая
проследить связь между исследуемыми процессами и выявить закономерности их изменения
в зависимости от породы древесины, первоначальной плотности и времени намокания.
ВЕСТНИК
Научно-технический журнал
Центрально-Черноземного регионального отделения наук о лесе РАЕН
Воронежской государственной лесотехнической академии
Выпуск 5
Редактор С.Г. Герасименко
Компьютерный набор С.В. Пономарев
Подписано в печать 24.07.07 Формат 60×84 1/16
Объем п.л. 12,5. Усл. п.л. 11,6. Уч.-изд. л. 15,1
Тираж 300 экз. Заказ №
Воронежская государственная лесотехническая академия
РИО ВГЛТА 394613 Воронеж, ул. Тимирязева, 8
Типография Воронежского ЦНТИ, 394730, пр-т Революции, 30
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
34
Размер файла
2 031 Кб
Теги
вып, вестник, цчр
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа