В системе машин для комплексной механизации лесного хозяйства на 1981—1990 гг. технология рубок ухода дифференцирована на ряд основных технологических процессов: уход за молодняками, рубки ухода с заготовкой леса, переработку древесного сырья.
Уход за молодняками включает осветления и прочистки в лесных культурах и естественных молодняках, направленные на формирование насаждений по породному составу. Заготовка ликвидных лесоматериалов при этом имеет второстепенное значение.
Технологические процессы базируются пока на малопроизводительных ручных средствах. Производительность моторизованных ранцевых кусторезов типа «Секор» в основном зависит от мощности и массы агрегата. Анализ процесса развития кусторезов «Секор» показывает, что кривые, характеризующие динамику роста производительности труда и затрат физической энергии рабочего, могут развиваться положительно при снижении массы агрегата. В противном случае не ожидается роста производительности труда. В ближайшие годы наряду с усовершенствованием кустореза «Секор-3» будет создан более легкий (и несколько меньший по мощности) кусторез «Секор-2» (условное обозначение). Следует отметить, что техническая идея, заложенная в ранцевый мотоинструмент для рубок ухода в молодняках, себя исчерпывает.
Перспектива комплексной механизации работ в молодняках намечается путем применения тракторных кусторезов. Такие кусторезы уже созданы; например, кусторез-осветлитель для ухода за рядовыми культурами хвойных пород и рубщик коридоров РКР-1,5 для ухода за рядовыми культурами дуба. Этот механизм повышает производительность труда на рубках ухода в молодняках более чем в 10 раз.
Применение тракторных кусторезов требует соблюдения ряда условий. Согласно данным Е. Н. Шахова, для успешной работы кустореза-осветлителя необходимо учесть следующие лесотехнические требования: 1) ширина междурядий в культурах должна быть не менее 3,5 м; 2) имеющиеся в междурядьях пни должны быть заранее понижены до высоты не более 10 см над поверхностью почвы, а деревья диаметром более 5 см на высоте 0,4 удалены; 3) уход за культурами путем их осветления следует начинать своевременно и проводить регулярно, не допуская развития затеняющей растительности; 4) высота срезания должна быть в пределах 400—1000 мм; 5) срезанную растительность нужно укладывать на землю так, чтобы она не заваливала и не повреждала рядовые культуры; 6) к качеству срезания особые требования не предъявляются.
Из данной характеристики требований можно сделать вывод, что эффективная работа по выращиванию высокопродуктивных лесонасаждений начинается с создания лесных культур на расчищенных вырубках прямыми рядами и с регулярным уходом.
Перспективы машинизации ухода за молодняками естественного происхождения менее ясны. С одной стороны, это объясняется отсутствием четких направлений в деле применения химических средств, с другой — отсутствием лесоводческих данных об эффективности техники и условиях ее возможного применения (например, тракторного кустореза для прокладки технологических коридоров в сочетании с работой в кустах мотоинструментом или применением машин с гидроманипулятором, оснащенным специальными режущими устройствами). На рисунке показаны два варианта такого кустореза — с гидроманипуляторами и срезающим устройством в конце. В обоих случаях предлагается использовать спирально-винтовой резец и накопитель для измельчения деревьев на корню. Проведенные расчеты потенциальной производительности машин в усредненных условиях молодняков показывают определенную перспективность данного технического решения. Так, при скорости движения стрелы от 0,5 до 1,5 м/с возможно измельчить и подать в контейнер от 2,7 до 4,4 т зеленой щепы в 1 ч.
Предпосылки для механизации рубок ухода с заготовкой лесоматериалов. Между отдельными направлениями технического прогресса, как между клетками единого организма, существуют тесная взаимосвязь, определенные пропорции. Эти слова можно отнести как к оценке системы «лесная промышленность — лесное хозяйство», так и, в определенной степени, к системе «сельское хозяйство — лесное хозяйство».
Рубки ухода с заготовкой лесоматериалов в технических и технологических аспектах являются разновидностью лесозаготовок, и многие приемы и машины используются как на сплошных, так и на выборочных рубках (бензиномоторные пилы, трелевочные тракторы, лесовозные автомашины и др.). Решая вопросы механизации рубок ухода, мы вправе пользоваться богатым арсеналом лесопромышленной науки.
В свою очередь нельзя упустить из виду и главные направления развития механизации сельского хозяйства, например энергетику и подъемно-транспортные работы, где ожидается повышение энергонасыщенности и рабочих скоростей. Будут увеличиваться мощности гидросистем. Многолетний опыт показывает, что создать специальные лесохозяйственные тракторы можно путем максимальной унификации их с массовыми сельскохозяйственными тракторами.
Характеристика вырубаемых на рубках ухода деревьев и заготавливаемая продукция. Если рубки ухода проводят с целью получения лесной продукции, то следует учесть, что между выбором технологии работ и заданными сортиментами существует тесная связь. Например, для того, чтобы получить только зеленую щепу, достаточно дерево свалить, доставить до дробильной установки и расщепить. Если же требуется заготовить максимальное количество сортиментов, необходимо выполнить валку, обрезку сучьев, раскряжевку на круглые сортименты, их сортировку-штабелевку, осуществить транспортные операции, расщепление ветвей и вершин и сортировку зеленой щепы. Характеристика вырубаемых на рубках ухода деревьев определяет качественные границы получаемых лесных товаров (сортиментов). Размеры вырубаемых деревьев также сильно влияют на производительность труда и машин.
Технология и качество получаемой на рубках ухода продукции тесно связаны с такими понятиями, как тонкомерные деревья, отходы лесозаготовок, что в свою очередь имеет связь с направлением полного использования биомассы деревьев.
Термином отходы лесозаготовок обозначаются древесные остатки, образующиеся при валке деревьев, очистке стволов от сучьев, раскряжевке хлыстов и окорке сортиментов: ветви, сучья, вершины, тонкие деревца, откомлевки, козырьки, кора и древесная зелень.
Термином тонкомерные деревья принято обозначать деревья диаметром на высоте 1,3 м ≤ 14 см. Из таких деревьев можно заготавливать только мелкие сортименты или использовать их в качестве технологического сырья. При этом существует также ограничение по нижнему диаметру, равному 6 см. Деревья, диаметр которых на высоте 1,3 м ≤ 6 см, т. е. хворост, необходимо относить к категории отходов лесозаготовок.
Для анализа технологии работ и планирования использования лесоматериалов, заготовленных на рубках ухода, предлагается пользоваться следующим делением вырубаемых деревьев:
1) хворост (отходы лесозаготовок) — стволики диаметром 6 см на высоте 1,3 м;
2) тонкомерные деревья — диаметр от 6 см (нижний) до 14 см на высоте 1,3 м;
3) крупномерные деревья — диаметр на высоте 1,3 м от 14 см и более.
По данным О. Лиепиньш, в Латвийской ССР тонкомерные деревья на проходных рубках по количеству стволов составляют 78 %, а на прореживаниях — 97 %.
При осветлении и прочистке возможно заготавливать только хворост. Притом в летнее время в массе преобладает древесная зелень. При прореживаниях преобладают тонкомерные деревья (93—98 %) и из хвойного тонкомера можно получить до 79 % деловых сортиментов. Древесная зелень в лучшем случае составляет по массе 1/5. Крупномерные деревья в основном получают на проходных рубках (до 60 %), но приходится считаться также со значительной долей тонкомерных деревьев. Древесной зелени тут еще меньше, и ее масса не превышает 14 %.
Резкие отличия размерно-качественных групп лесного сырья, получаемого при рубках ухода, во многом определяют технологию работ в настоящее время и должны быть учтены при разработке технических средств на будущее.
Исследования машинного выноса деревьев показывают, что для конструкторов важно знать такие характеристики предмета труда, как масса, высота центра тяжести, диаметр на высоте среза. При этом надо знать средние и максимальные их величины. По данным Г. Гринфелде (1977), масса деревьев, вырубаемых на прореживаниях, в среднем составляет 24—43 кг, а высота центра тяжести колеблется в пределах 2,9—3,2 м.
Рассмотрение характеристик деревьев, вырубаемых на рубках ухода, говорит о том, что технологии работ и создаваемая техника должны значительно отличаться от той, что применяется на рубках главного пользования.
Потребление новых видов лесоматериалов, заготовленных на рубках ухода. Как уже было отмечено, на выбор технологии работ на рубках ухода коренным образом влияет фактор спроса на лесоматериалы. Рост спроса на лесоматериалы и интенсификация лесного хозяйства подробно рассмотрены в работах лесоэкономистов.
Остановимся на двух моментах технико-экономического характера: 1) появление спроса на технологическую щепу и на товарную древесную зелень; 2) развитие в связи с этим повой техники.
Спрос на технологическую щепу пониженного качества и на древесную зелень приводит к тому, что на тех же площадях становится возможным значительно повысить заготовку товарной лесной продукции.
Исследования и производственный опыт в СССР, США, Финляндии, Канаде, Швеции показывают, что переработка в технологическую щепу целых деревьев повышает по сравнению с использованием только деловых частей ствола выход товарной древесной массы: в высокобонитетных насаждениях на 30— 40 %, в насаждениях среднего бонитета на 100 %, в низкобонитетных насаждениях на 200—300 %.
Идея использования целого дерева одновременно выдвинута в СССР и США; в СССР больше развито производство древесной зелени, а в США — производство технологической щепы из целых деревьев. В настоящее время в СССР наблюдается наращивание темпов исследований и опытных работ, связанных с переработкой на технологическую щепу целых деревьев, особенно небольших размеров. К успехам в этой области необходимо отнести разработку в СССР (научно-производственное объединение «Сплава») способов сортировки зеленой щепы на технологическую и топливную с отделением в качестве товарной продукции древесной зелени.
В связи с растущим ограничением в применении на топливные нужды жидкого топлива на повестку дня выступает вопрос его замены другими видами топлива, в том числе древесиной.
За последние десять лет в промышленно развитых странах мира появилась и развивается новая концепция «биотермической энергии», связанная с использованием лесных ресурсов. При современном уровне знаний и технологии преобразование древесины в энергию возможно следующими основными путями: сжиганием, карбонизацией, газификацией, сжижением, причем предпочтение отдается прямому сжиганию. Сжигание древесины считается одним из самых чистых видов выработки энергии.
Против широкого использования древесины в качестве топлива первым возражением является то обстоятельство, что экономия энергии от применения древесины в строительстве и промышленности нередко больше, чем дает использование древесного топлива. Например, при замене древесных конструкций стальными или пластмассовыми для их производства требуется в 4—6 раз больше энергии. Общепринято считать, что по выработке энергии 1000 л нефти эквивалентны воздушно-сухим дровам в объеме 4—6 пл. м3.
Исходя из закономерностей развития энергетики больших мощностей, можно заранее утверждать, что лесные отходы могут служить сырьем для нужд так называемой малой энергетики. Дело в том, что лесосечный фонд в зоне интенсивного ведения лесного хозяйства европейской части СССР сильно рассредоточен и концентрация топливной щепы в районах с расстоянием вывозки 30—50 км не превышает 20—40 тыс. пл. м3/год.
В настоящее время в мире известны более чем 300 конструкций устройств для сжигания древесного топлива. Наиболее обнадеживающая ближайшая перспектива — использование щепы и массивной древесины в новейших, разрабатываемых сейчас конструкциях топок и печей, термический КПД которых превышает 80 %.
В качестве примера возможностей пополнить энергетический баланс народного хозяйства путем использования лесной биомассы приводятся данные о наличии биомассы в лесосечном фонде государственных лесов Латвийской ССР.
Древесина сучьев и вершин составляет примерно 17 % общей вырубаемой массы, что эквивалентно 10—12 % потребления тепловой энергии республики. При этом значительную долю могут дать лесоматериалы, полученные при рубках ухода. Из брутто энергии лесной биомассы следует исключить затраты на ее заготовку и транспортировку.
Одно из оптимальных решений стоящей проблемы — расширение опытно-конструкторских работ по созданию прогрессивных средств механизации сбора, транспортирования и переработки тонкомера и лесосечных отходов и технологии их хранения.