student from 01.01.2017 to 01.01.2019
Lesosibirsk, Krasnoyarsk, Russian Federation
Lesosibirsk, Krasnoyarsk, Russian Federation
The present study is devoted to the development of harvesting and processing coniferous wood greens using a mobile unit with further calculation of its productivity. During the study, the existing technologies for the preparation and processing of coniferous wood greens were considered. The advantages of these technologies are that they include the integrated processing of wood greens to preserve vitamins and other useful substances for the production of various products. The main disadvantages are the use of stationary equipment for the territory of the manufacturer, which negatively affects the preservation of the essential oils contained in the needles. As a result of the analysis, it was found that there is a loss of raw materials at the stages of felling and skidding during tree-length harvesting. Stationary harvesting of green wood is used for harvesting, and its processing occurs at plants manufacturing wood green products. Separated branches containing coniferous shoots can be collected as chopping residues in cut-to-length to form heaps with subsequent burning. Based on this analysis, we propose a technology using the developed mobile unit that can be located both in the cutting area and at the loading site. The information-logical and mathematical models have been compiled based on which the formula for the plant performances have been derived and the dependence of the most significant factor affecting the plant performance was revealed. So the productivity is 36.1 m3 at the minimum time costs, the productivity is 25.3 m3 at the maximum time costs
foliage, harvesting, processing, needles, mobility
Введение
Зайцева М.И. (2014) исследовала проблему использования отходов лесозаготовок в виде древесной зелени хвойных пород. В ходе лесозаготовок хвойные деревья и кустарники валятся на землю, и происходит процесс обрубки сучьев с хвоей. Деловую древесину увозят, а сучьями либо устилают трелевочные волоки (на которых они дробятся и превращаются в труху под гусеницами тракторов), либо сжигают [5].
Солодской Ф.Т. (2014) исследовал комплексное использование древесной зелени,которая имеет в составе биологически активные вещества, такие как: эфирные масла, витамины (Bi, B2, B6, C, E, K, P и др.), провитамин А (каротин), белки, жиры, углеводы, микроэлементы и протеины [10]; получил следующие результаты: при комплексной переработке древесной зелени хвойных пород широкий спектр продукции медицинского, парфюмерно-косметического и пищевого назначения, кормовые добавки для сельскохозяйственных животных, хвойно-витаминную муку.
При нынешних технологиях в процессе лесозаготовок от общей биомассы древесины используется стволовая часть, которая составляет до 65%, оставшиеся 35% составляют отходы, 17% из которых составляет древесная зелень, для сосны обыкновенной диаметром 40 сантиметров масса древесной зелени со всего дерева составляет 36 килограмм, в большинстве случаев она остается на лесосеке, что представляет собой потерю в производстве товаров для народного хозяйства.
Под действием солнечной энергии в хвое образуются различные биологически активные вещества: фитонциды, ферменты, витамины и др. Часть этих веществ расходуется на рост дерева, а часть откладывается в запас. Таким образом, хвоя является лабораторией и кладовой, в которой образуются и откладываются ценные вещества.
Цель данной работы заключается в разработке технологии заготовки и переработки древесной зелени хвойных пород на территории лесосеки. Для решения поставленной цели необходимо решить ряд задач:
- провести предварительный анализ действующих технологий в настоящее время, выделив достоинства и недостатки;
- описать технологический процесс разрабатываемой технологии по заготовке и переработке древесной зелени хвойных пород;
- вывести формулу производительности и вычислить зависимость производительности от наиболее влияющего фактора.
Материалы и методы
Материалами исследования в процессе работы послужили научные статьи, размещённые в журналах, публикации, диссертации, учебная литература и электронные ресурсы.
Для достижения цели исследования используется системный и комплексный подход. Применительно к научной проблематике использован комплекс современных методов исследований: числового моделирования, математического планирования и статистического анализа.
Рассматривая действующие технологии было выявлено, что отделение сучьев с хвоей происходит стационарными барабанными отделителями [4]; мобильными отделителями древесной зелени [9] при хлыстовой заготовке. При сортиментной заготовке используются харвестеры и процессоры [6]. Переработка включает в себя стационарное оборудование с целью получения биологически активных и химических компонентов [3, 7, 8, 11, 12, 13].
Сокращение объемов сплошных рубок и расширение применения выборочных и постепенных рубок ставит лесопользователей в условия необходимости применения более совершенной технологии и техники, отвечающей лесоводственным и экологическим требованиям. В связи с этим возрастает интерес к сортиментной технологии лесозаготовок, позволяющей наиболее производительно механизировать эти виды рубок с учетом современных экологических требований. Одной из основных причин тенденции развития сортиментной технологии в мире являются успехи скандинавских машиностроителей, которые разработали и представили на рынок высокопроизводительные и надежные многооперационные машины для получения сортиментов на лесосеке [9].
В результате проведенного анализа существующих технологий переработки древесной хвои и исследований [2] был разработан технологический процесс заготовки и переработки древесной зелени хвойных пород, включающая в себя мобильную установку.
Результаты и обсуждение
Технологический процесс при заготовке древесной зелени основывается на технологическом процессе заготовки деревьями и включает в себя следующие операции: валка дерева – трелевка деревьев на верхний склад – раскряжевка деревьев – погрузка сучьев в мобильную установку – вывозка сортиментов.
В данном случае валка осуществляется валочно-пакетирующей машиной, затем поваленные деревья трелюются на верхний склад грузовой платформой на базе форвардера. На погрузочном пункте деревья раскряжевываются при помощи процессора, сучья складываются в кучи, а сортименты в штабеля. Сучья и тонкомерные деревья загружают комлем вперед в приемную часть мобильной установки, в узле отделения хвоя отделяется от сучьев и веток, затем измельчается. Под ситом измельчителя древесной зелени расположен пакетодержатель и вакуумная-упаковочная машина.
Принцип работы мобильной установки заключается в отделении хвои от веток, ее измельчении и вакуумное упаковывание.
Использование мобильной установки возможно, когда наряду с заготовкой деловой древесины при сплошнолесосечной сортиментной технологии осваиваются лесосечные отходы. Операция измельчения древесной зелени может выполняться на делянке или на погрузочной площадке у лесовозной дороги, или на территории предприятия-потребителя [1].
Рассмотрим работу мобильной установки, если она устанавливается на верхнем складе, загрузка ветвей с хвоей осуществляется человеком, переработанная хвоя находится в разгрузочном кузове, объемом 60 литров.
Для наглядного рассмотрения операций была составлена информационно-логическая модель технологического процесса мобильной установки, представленная на рисунке 1.
На основании информационно-логической модели была составлена математическая модель мобильной установки, представленная на рисунке 2. В прямоугольниках отображено время исполнения основных операций, в четырехугольниках отображено переход состояния одной операции в другую при (ti≥ti-1); количество ветвей с хвоей (n1); максимально возможное количество ветвей для погрузки (n2); количество выгруженных порубочных остатков (n3); количество погруженных порубочных остатков (n4); время на выполнение основных работ (n5)
Составим формулу производительности установки:
(1)
Обозначим цикл операций по загрузке и разгрузке кузова мобильной установки 
как Т1. Цикл операций на работу установки (
обозначим как Т2. Цикл операций на подготовительно – заключительные работы (
обозначим как Т3.
Тогда формула примет вид:
) (2)
(3)
(4)
(5)
(6)
(7)
(8)
где – nвет – среднее количество веток за одну загрузку, штук;
nср – среднее количество веток на один цикл работы, штук;
nц – среднее количество циклов за смену, раз.
Левая часть уравнения (
равна количеству обрабатываемых веток с хвоей за смену, Nср/см , шт..
Формула сменной производительности мобильной установки будет иметь вид:
(9)
где Vср – среднее количество хвои на 1 ветви, м3;
φ – коэффициент использования рабочего времени, 0,8.
Для оценки факторов, влияющих на сменную производительность установки. определены временные диапазоны каждой операции (таблица 1). Количество сучьев сосны сибирской, к объему ствола в коре для IV разряда высоты варьируется от 10 до 18%. Средние и максимальные размеры сучьев при объеме хлыста (в коре), м3 равны 2,5 см, при объеме 0,76 м3 диаметр сучьев равен 4,3 см [1].
По формулам 1 – 9 и минимальным и максимальным значениям времени выполнения операции технологического цикла установки (таблица 1), составлена зависимость сменой производительности от среднего количества хвои (кг), на 1 м3 ствола дерева при благоприятных и неблагоприятных условиях.
Таблица 1
Временные диапазоны каждой операции
|
Операция |
Диапазон времени, сек |
Влияющие факторы |
|
t1 |
1200 – 2000 |
Уровень ГСМ, состояние спиц, ножей |
|
t3 |
10 – 20 |
Погодные условия, длина ветви, удаленность в рабочей зоне |
|
t5 |
3 – 8 |
Диаметр ветви, влажность, состояние спиц барабана |
|
t7 |
1 - 3 |
Влажность, насыпная плотность |
|
t9 |
180 - 240 |
Состояние ножей, влажность, размер хвои |
|
t11 |
1-2 |
Погодные условия, сезонные условия |
|
t13 |
5-10 |
Погодные условия, положение пакета |
|
t15 |
1-2 |
Погодные условия, сезонные условия |
|
t18 |
360-540 |
Погодные и сезонные условия |
|
t20 |
1500-2500 |
Состояние основных узлов, колесной базы, способ заправки |
Рис. 1. Информационно-логическая модель технологического процесса мобильной установки
Рис. 2. Математическая модель технологического процесса заготовки и переработки древесной зелени хвойных пород
Рис. 3. Зависимость сменной производительности мобильной установки от среднего количества хвои кг, на 1 м3 ствола дерева при благоприятных и неблагоприятных условиях
Выводы
В результате исследований были рассмотрены действующие технологии, с учетом достоинств и недостатков был разработан технологический процесс заготовки и переработки древесной зелени хвойных пород с использованиемразрабатываемой мобильной установки, которая способна отделять и перерабатывать древесную зелень на территории лесосеки;выведена формула производительности. Сменная производительность зависит от среднего количества хвои на 1 м3 ствола дерева, производительность при минимальных временных затратах и минимальном количестве хвои составит 14,3 м3, при минимальном времени и максимальном запасе производительность составит 36,1 м3, при максимальных временных затратах и минимальном запасе составит 10 м3, при максимальных временных затратах и максимальном запасе составит 25,3 м3.
1. Baranova N.F. Zagotovka, transportirovka i hranenie hvoynoy lapki [Tekst] / N.F. Baranova, V.S. Fufacheva, I.V. Stupina // Vestnik Krasnoyarskogo gosudarstvennogo agrarnogo universiteta. - 2014. - №10. - S. 155-159.
2. Borin K.V. Proizvodstvo hvoynoy muki v usloviyah lesoseki [Tekst] / K.V. Borin, N.A. Petrusheva // Materialy nauchno-prakticheskoy konferencii s mezhdunarodnym uchastiem. - 2018. - S. 18-20.
3. Botenkova V.P. Ustroystvo dlya zagotovki hvoynoy lapki [Tekst] / V.P. Botenkova // Hvoynye boreal'noy zony. - 2013. - №1-2. - S.138-142.
4. Vtorichnye material'nye resursy lesnoy i derevoobrabatyvayuschey promyshlennosti: spravochnik / pod red. A.E. Yurchenko. - M.: Ekonomika, 2004. - 226 s.
5. Zayceva M.I. Othody pererabotki hvoi sosny obyknovennoy, kak material dlya teploizolyacionnyh plit / M.I. Zayceva, G.N. Kolesnikov. - Vestnik Krasnoyarskogo gosudarstvennogo agrarnogo universiteta. - 2014. - №10. - S. 155-159.
6. Lesosechnye mashiny v fokuse bioenergetiki: konstrukcii, proektirovanie, raschet [Tekst]: ucheb. posobie / Syunev V. S. [i dr.]. - M. : NII Lesa Finlyandii METLA, 2011. - 143 c.
7. Matrosov A.V. Tehnologicheskie processy maloob'emnyh lesozagotovok i metod ih modelirovaniya [Tekst] / A.V. Matrosov // Lesnoy vestnik. - 2006. - S. 90-93.
8. Posmet'ev, V. I. Sostoyanie i puti resheniya problemy zagotovki drevesnoy zeleni na lesnyh ob'ektah [Tekst] / V. I. Posmet'ev, I. F. Yakovenko, O. S. Kalashnikova // Mezhvuz. sb. nauchn. trudov «Tehnologiya i oborudovanie derevoobrabotki XXI veka», vyp. 3. - Voronezh : VGLTA, - 2005. - S. 55-57
9. Safina A.V. Ekstrakciya cennyh komponentov iz lesosechnyh othodov [Tekst] / A.V. Safina // Lesnoy zhurnal. - 2018. - № 1. - S. 109 - 119.
10. Solodskoy F.T. Sposob kompleksnoy pererabotki hvoi [Tekst] / F.T. Solodskoy // Kompleksnoe ustoychivoe upravlenie othodami. - 2014. - №5. - S. 138-140.
11. Al-Dajani W.W., Tschiner U.W. Pre-extraction of Hemiecelluloses and Subsequent Kraft Pulping. Part I. Alkaline Extraction // Tappi J. 2008. Vol. 7, iss. 6. Pp. 3-8.
12. Fišerová M., Opálená E. Hemicellulose Extraction from Beech Wood with Water and Alkaline Solutions // Wood Research. 2012. Vol. 57, no. 4. Pp. 505-514.
13. Koptsik, G.N. Pine needle chemistry near a large point so2 source in northern Fennoscandia [Text] / G.N. Koptsik, S.V. Koptsik, D. Aamlid // Water, air, & soil pollution. - 2001. - № 1-4 III. - P. 929-934.
