Алексей Бирман, д.т.н., профессор СПбГЛТУ,

Сергей Угрюмов, д.т.н., профессор СПбГЛТУ

Величина площадей гарей и вырубок в России увеличивается с каждым годом. Поэтому подготовка и освоение лесокультурных пространств является одной из важнейших задач лесопромышленного комплекса, решение которой во многом зависит от степени очистки вырубленных лесосек от пней.

Одним из традиционных способов подготовки лесокультурных площадей является корчевание пней. Однако при осуществлении этого способа частично или полностью уничтожаются верхние плодородные горизонты почвы, сдвигаются ее гумусированные слои, снижаются физико-механические и физико-химические свойства лесных грунтов, образуются ямы и, в целом, ухудшаются водоохранные свойства леса.

Техническим решением по исключению недостатков корчевки явилась технология, основанная на удалении частей пней, выступающих из лесных почвогрунтов, путем их измельчения конусными, дисковыми, барабанными и ножевыми режущими устройствами, рисунок 1.

Коническая фреза (рис. 1, а) в виде усеченного конуса, снабженного винтовым центрирующим наконечником и расположенными по образующей конуса резцами, при ввинчивании в среднюю часть пня постепенно измельчает пень любой высоты и диаметра, причем разрушается как надземная, так и подземная часть пня. Однако надежность работы такого устройства обеспечивается только идеально круглой формой сечения пня. При несоблюдении этого условия резцы попадают в грунт и быстро выходят из строя.

Широко используемые за рубежом дисковые (диаметром до 0,9 м и толщиной до 18 мм) измельчители пней (рис. 1, б), снабженные радиально установленными резцами оснащенными пластинами из твердых сплавов, осуществляют послойное фрезерование древесины пня. Однако работа по разрушению пня требует постоянного внимания оператора, а при попадании резцов в грунт происходит их интенсивный износ или поломка.

Барабанные измельчители пней (рис. 1, в) отличаются от дисковых только шириной обрабатываемой зоны (до 0,5–0,9 м), но сохраняют те же недостатки. Добавим, что измельчители такого типа, например, в машине МПП-0,75, осуществляют резание в торец, то есть резание, при котором древесина обладает наибольшим сопротивлением при механической обработке.

Рабочий орган машины МУП-4 (рис. 1, г) выполнен в виде усеченного конуса, по окружности большего основания которого установлены подрезающие ножи, а на образующих конуса — скалывающие. При этом ось конуса вертикальна, что позволяет скалывающим ножам разрушать древесину вдоль волокон, снижая энергоемкость процесса. Но фрезерование пня и в этом случае осуществляется выше уровня грунта.

Так образом можно заключить, что фрезерование пней известными способами обеспечивает только понижение высоты пней и не может производится так, чтобы над поверхностью лесного грунта не оставалось их надземной части, наличие которой ухудшает проходимость, приводит к поломкам и значительным временным потерям машин, работающих при восстановлении лесов. Необходим поиск новых технологических решений, направленных на устранение данной проблемы.

По нашему мнению наиболее перспективным технологическим решением для исключения операции корчевки на лесосеках является использование таких валочных машин, которые могут обеспечить срезание дерева заподлицо с поверхностью грунта.

Известно, что использование машин на валке деревьев дает возможность избежать применения тяжелого физического труда, обеспечить безопасность рабочих, повысить их квалификацию, сделать работу более престижной. Поэтому машинная валка принадлежит будущему, и совершенствование процесса машинной валки деревьев является актуальной задачей.

Процесс валки деревьев машинами осуществляется двумя способами:

• срезанием дерева, сталкиванием его с пня и укладыванием дерева на грунт;
• предварительным захватом и удержанием дерева в исходном положении, срезанием дерева, снятием его с пня и укладыванием дерева на грунт.

При сталкивании дерева с пня образуются дефекты в комлевой части ствола в виде расщепов, расколов, что снижает качество сортиментов, получаемых из ценной комлевой части ствола. Снятие дерева с пня уменьшает количество дефектов комлевой части ствола. 

В первом и втором случае величина и характер дефектов комлевых сортиментов зависят от конструкции реза, но после завершения процесса валки и вывоза заготовленной древесины на площади лесосеки над ее поверхностью неминуемо остаются пни. Обязательное корчевание пней при осуществлении лесовосстановительных работ остается отдельной трудоемкой операцией. При этом древесина пней чаще всего далее не используется. 

Очевидно, что высота пня, остающегося на лесосеке, зависит от типа срезающего механизма валочной машины, к которому предъявляются следующие требования: высокая производительность, простота и надежность конструкции, возможность срезать деревья больших диаметров, исключение дефектов в комлевой части ствола.

Особенности конструкции срезающих механизмов подробно описаны в отраслевой литературе. Режущий инструмент этих механизмов (в виде дисковых или цепных пил, дисковых или цилиндрических фрез) в большей или меньшей степени обеспечивает выполнение перечисленных требований. Схемы срезающих механизмов с использованием клиновых или плоских ножей так же эффективно используются в зарубежной практике, но их применение возможно только при валке деревьев с небольшим объемом хлыста. Для крупных деревьев движение ножей поперек волокон древесины требует слишком большой мощности привода.

Ограничение использования ножевых срезающих механизмов в валочных машинах обусловлено тем, что при поперечном перерезании ножами стволов большого диаметра на торцах нижнего отруба комлевых сортиментов остаются продольные трещины, далеко уходящие от линии реза. Это хорошо видно на рентгеноснимке, рисунок 2[1].

Известно, что усилие резания древесины, осуществляемое на практике плоскими или клиновыми ножами толщиной S = 6 – 15 мм (для раскряжевочных и разделочных установок) и симметричным углом заострения β = 20–40°, определяют по формуле [2-4]:

Р_р = К_р × Н_р,             (1)

где К_р — удельная сила резания; Н_р — высота реза.

Из экспериментальных данных известно, что при поперечном перерезании древесины К_р находят из выражения:

К_р ≈ (1,2 + Н_р) × 10⁵ × a_n × a_s × a_β × a_t,       (2) 

где a_n — коэффициент, учитывающий породу древесины; a_s — коэффициент, учитывающий влияние толщины ножа, a_s = 0,2 + 1000S; a_β — коэффициент, учитывающий влияние угла заострения ножа; a_t — коэффициент, учитывающий влияние температуры.

Для практических расчетов принимаем Н_р = Н_р.ср. = 0,8d, где d — диаметр дерева в плоскости реза.

Тогда [1]:

Р_р = (0,95d + 2,5d²) × 10⁵ × a_n × a_s × a_β × a_t.           (3)

Формула (3) определяет усилие поперечного резания, то есть резания в торец. Однако, кроме факторов, учитываемых коэффициентами формулы (3), необходимо учитывать один из самых значительных факторов процесса — угол перерезания волокон, образуемый направлением вектора действующей силы и направлением волокон древесины (направление волокон древесины при этом условно принимается за прямую линию). Тогда, вводя в (3) коэффициент a_σ, учитывающий влияние направления резания по отношению к направлению волокон древесины, получим: 

Р_р = (0,95d + 2,5d²) × 10⁵ × a_n × a_s × a_β × a_t × a_σ .         (4)

Учитывая, что величина К_р при резании в торец в 4–5 раз превышает величину К_р для продольного резания, можно утверждать, что поправочный коэффициент a_σ лежит в пределах a_σ = 1–5 и, наиболее вероятно, линейно зависит от угла плоскости реза к направлению волокон древесины и примерно вдвое уменьшает Р_р при наклоне ножей к оси дерева на угол 45°.

Но и ножевые известные срезающие механизмы, в силу конструктивных особенностей, не могут работать в плоскости, совпадающей с плоскостью грунта. 

Нами предлагается новый способ валки деревьев машинами с ножевым срезающим механизмом, обеспечивающий исключение образования расщепов и расколов в комлевой части ствола при сталкивании или снятии дерева с пня; приращение заготавливаемого объема древесины за счет срезания дерева совместно с объемом древесины пня; валку деревьев с любым объемом хлыста за счет снижения усилия, необходимого для срезания дерева; формирование обработанных лесосек без пней, выступающих над поверхностью грунта; достижение условий скорейшего перегнивания остатков пневой древесины за счет ее разрушения в процессе срезания дерева, что уменьшает трудоемкость последующих лесовосстановительных работ на обработанной лесосеке.

Осуществление способа иллюстрируется рисунком 3, на котором представлена схема нового захватно-срезающего механизма валочной машины, где: 1 — механизм захвата и удержания дерева, 2 — рычажно-гидравлический срезающий механизм, оснащенный парой ножей 3, 4 — дерево, 5 — остаток пня.

Срезание дерева происходит следующим образом. Оператор валочной машины с помощью механизма захвата и удержания дерева в исходном положении 1 осуществляет захват дерева 4, рычажно-гидравлический срезающий механизм 2 направляет пару ножей 3 сверху вниз таким образом, чтобы их внедрение в ствол дерева происходило на уровне грунта, окружающего дерево, и ножи продолжали движение до смыкания их режущих кромок на вертикальной оси дерева.

По завершению процесса срезания дерева 4 механизмом захвата и удержания дерева в исходном положении 1 осуществляется снятие дерева с остатков пня 5 и укладка дерева на грунт.

Ножи 3 выполнены в виде стальных пластин, образующих при смыкании четырех стороннюю пирамиду с вершиной, обращенной вниз.

Величина угла подачи ножей, по отношению к вертикальной оси дерева, зависит от геометрических параметров пней деревьев на обрабатываемой лесосеке.

Из иллюстрации видно, что ножи при срезании дерева движутся в объеме древесины пня, что позволяет сохранить остроту режущих кромок. Причем движение ножей происходит под углом к вертикальным волокнам древесины, что в 2–2,5 раза снижает мощность, потребную на резание по отношению к известным срезающим механизмам, где движение ножей направлено поперек волокон древесины.

Дополнительным преимуществом при срезании дерева ножами является то, что при внедрении ножей, особенно клиновых, происходит не сталкивание, а снятие дерева с пня. Это уменьшает образование дефектов в его комлевой части.

Расчеты показывают, что при валке деревьев высотой 20 метров и диаметром в комле 0,45 метров при движении ножей под углом 45° к оси дерева приращение объема хлыста, за счет извлечения с основной частью хлыста надземной и подземной частей пня, составляет более 5% заготовленной древесины.

После обработки лесосеки машинами с новым захватно-срезающим механизмом остаток разрушенной подземной части пня достаточно быстро перегнивает под воздействием окружающей среды.

Литература               

1. А.Л. Бершадский. Резание древесины. — М.: Гослесбумиздат, 1958 г. С. 328.

2. Е.Г. Ивановский. Резание древесины. — М.: Лесная промышленность, 1975 г. С. 200.

3. Залегаллер Б.Г., Ласточкин П.В., Бойков С.П. Технология и оборудование лесных складов. М.: Лесная промышленность, 1984 г. С. 352.

4. Технология и обрудование лесных складов и лесообрабатывающих цехов: учебник /под ред. В.И. Патякина. — М.: ГОУ ВПО МГУЛ, 2008. — 384 с.