студент с 01.01.2017 по 01.01.2019
Лесосибирск, Красноярский край, Россия
Лесосибирск, Красноярский край, Россия
Настоящее исследование посвящено разработке процесса заготовки и переработки древесной зелени хвойных пород припомощи мобильной установки с дальнейшим расчетом ее производительности. Во время исследования былирассмотрены действующие технологиизаготовки и переработки древесной зелени хвойных пород, достоинства данных технологий состоит в том, что включают в себя комплексную переработку древесной зелени с целью сохранения витаминов и других полезных веществ для производства различной продукции, основными недостатками являются использование стационарного оборудования на территории производителя, что негативно сказывается на сохранении эфирных масел, содержащихся в хвое. В результате анализа было установлено, что при хлыстовой заготовке происходит потеря сырья на этапах валки и трелевки, для заготовки используется стационарные отделители древесной зелени, а ее переработка происходит на заводах изготовителях продукции из древесной зелени; при сортиментной заготовке отделенные сучья с ветвями содержащие хвойные побеги могут собираться, как порубочные остатки для формирования куч с последующим сжиганием. На основании данного анализа предлагается технология с использованием разрабатываемой мобильной установки способной располагаться как на территории лесосеки, так и на погрузочной площадке. Составлены информационно-логическая и математическая модели исходя из которых былавыведена формула производительности установки и выявлена зависимость наиболее значимого фактора влияющего на производительность установки. Так при минимальных временных затратах производительность составит 36,1 м3, при максимальных временных затратах производительность составит 25,3 м3.
древесная зелень, заготовка, переработка, хвоя, мобильность
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. Баранова Н.Ф. Заготовка, транспортировка и хранение хвойной лапки [Текст] / Н.Ф. Баранова, В.С. Фуфачева, И.В. Ступина // Вестник Красноярского государственного аграрного университета. – 2014. - №10. – С. 155-159.
2. Борин К.В. Производство хвойной муки в условиях лесосеки [Текст] / К.В. Борин, Н.А. Петрушева // Материалы научно-практической конференции с международным участием. – 2018. – С. 18-20.
3. Ботенкова В.П. Устройство для заготовки хвойной лапки [Текст] / В.П. Ботенкова // Хвойные бореальной зоны. – 2013. - №1-2. – С.138-142.
4. Вторичные материальные ресурсы лесной и деревообрабатывающей промышленности: справочник / под ред. А.Е. Юрченко. – М.: Экономика, 2004. – 226 с.
5. Зайцева М.И. Отходы переработки хвои сосны обыкновенной, как материал для теплоизоляционных плит / М.И. Зайцева, Г.Н. Колесников. – Вестник Красноярского государственного аграрного университета. – 2014. - №10. – С. 155-159.
6. Лесосечные машины в фокусе биоэнергетики: конструкции, проектирование, расчет [Текст]: учеб. пособие / Сюнёв В. С. [и др.]. – М. : НИИ Леса Финляндии METLA, 2011. – 143 c.
7. Матросов А.В. Технологические процессы малообъемных лесозаготовок и метод их моделирования [Текст] / А.В. Матросов // Лесной вестник. – 2006. – С. 90-93.
8. Посметьев, В. И. Состояние и пути решения проблемы заготовки древесной зелени на лесных объектах [Текст] / В. И. Посметьев, И. Ф. Яковенко, О. С. Калашникова // Межвуз. сб. научн. трудов «Технология и оборудование деревообработки XXI века», вып. 3. – Воронеж : ВГЛТА, – 2005. – С. 55-57
9. Сафина А.В. Экстракция ценных компонентов из лесосечных отходов [Текст] / А.В. Сафина // Лесной журнал. – 2018. - № 1. – С. 109 – 119.
10. Солодской Ф.Т. Способ комплексной переработки хвои [Текст] / Ф.Т. Солодской // Комплексное устойчивое управление отходами. – 2014. - №5. – С. 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.
