I. НАПРАВЛЕННАЯ ВАЛКА ДЕРЕВЬЕВ
Способы направленной валки деревьев
Валка деревьев является первой основной операцией технологического процесса лесосечных работ. Правильное выполнение этой операции связано как с соблюдением правил охраны труда на лесосечных работах, так и с технологией выполнением работ. Одним из важных принципов правильной валки деревьев является выполнение направленной валки.
Направленная валка деревьев является одной из задач для правильного проведения технологии лесосечных работ и выполнения требований техники безопасности.
В зависимости от применяемых на валке деревьев машин и оборудования используются различные способы и механизмы для направленной валки. При спиливании деревьев бензиномоторными пилами направленная валка ведется, в основном, с применением валочной вилки, гидроклина и гидродомкрата, валочных лопаток и клиньев, изредка находят применение пневмоподушки (рис.1.1) и другие приспособления. В особых случаях, для направленной валки деревьев используются канаты. При машинной заготовке леса, направленная валка (рис.1.2) может производиться с помощью валочного рычага (валочно-трелёвочная машина ВМ-4А и валочная машина ВМ-4), за счет натяжения дерева манипулятором вверх и усилия, прикладываемого к пню рычагом домкрата (валочно-трелёвочная машина ЛТ-17А), только за счет натяжения дерева манипулятором (валочно-трелёвочные машины ЛП-49, ЛП-51 и др.). Направленная валка валочно-сучкорезно-раскряжёвочными машинами (харвестерами) производится с помощью манипулятора и гидроцилиндра поворота харвестерной головки в вертикальной плоскости. Валочно-пакетирующие машины производят направленную валку дерева после его спиливания, подъёма вверх и переноса. В этом случае валка дерева осуществляется путем поворота захватно-срезающего устройства (ЗСУ) с помощью гидроцилиндра (машина ЛП-19А и её модификации).
Определение эксплуатационных показателей дерева и
Действующих на него сил.
При проектировании приспособлений для направленной валки деревьев необходимо рассчитать размеры частей дерева и силы, действующие на него во время валки. Выделяют несколько факторов, оказывающих влияние на направленную валку дерева: угол наклона ствола к направлению валки, степень смещения кроны относительно оси ствола и наличие на ней снега, направление ветровой нагрузки по отношению к направлению валки, а также форма недопила, по центру которого происходит поворот дерева во время валки.
С целью упрощения дальнейших расчетов принимаются следующие допущения: форма ствола дерева в поперечном сечении представляет собой круг определенного диаметра; поворот дерева в процессе валки происходит относительно оси, расположенной на уровне плоскости спиливания посередине недопила; ствол не имеет кривизны, т.е. его ось прямолинейна; при повороте дерева на угол, обеспечивающий в дальнейшем его самостоятельное падение, расстояние от оси поворота до центров приложения расчётных нагрузок остаются постоянными (при отклонении дерева от вертикального положения не более чем на 10°).
Рис. 1.1. Основные способы направленной валки деревьев при спиливании их бензиномоторными пилами: а – валочной вилкой; б, в – валочной лопаткой; г – гидроклином; д – гидродомкратом; е – пневмоподушкой
 |
Рис. 1.2. Механизмы для направленной валки деревьев лесосечных машин: а – валочным рычагом; б – натяжением манипулятора и воздействием домкрата; в – натяжением манипулятора; г – поворотом гидроцилиндра ЗСУ, после поднятия и переноса дерева
Рис.1.3. Основные размеры дерева и действующие на него силы при направленной валке
На рис. 1.3 приведена расчетная схема сил, действующих на дерево при его валке. Принятые обозначения на этой схеме следующие:
Н – высота дерева от плоскости спиливания;
L – длина ствола (длина хлыста);
НК – расстояние от плоскости спиливания до центра тяжести кроны;
DK – диаметр кроны;
LK – протяженность (высота) кроны;
НС – расстояние от плоскости спиливания до центра тяжести ствола;
НОС – расстояние от плоскости спиливания до центра тяжести осадков;
НВ – расстояние от плоскости спиливания до центра приложения ветровой нагрузки (до центра тяжести площади поперечного сечения кроны);
еК – эксцентриситет центра тяжести кроны относительно продольной оси ствола;
HD – расстояние от плоскости спиливания до наибольшего диаметра кроны;
D1,3 – диаметр ствола на высоте груди (на высоте 1,3 м);
D – диаметр ствола в месте спиливания;
а – глубина подпила;
с – ширина недопила;
t – длина недопила;
α – угол наклона валочной вилки;
β – угол наклона оси ствола дерева (положительный при попутном наклоне с направлением валки, отрицательный – при обратном наклоне);
А – расстояние от плоскости спиливания до места приложения усилия валочного приспособления (например, валочной вилки);
QC – вес ствола с корой;
QK – вес кроны;
QOC – вес осадков (снега);
РВ – ветровая нагрузка (сила ветра);
РР – усилие рабочего, прикладываемого к валочной вилке;
МН – момент сопротивления при изгибе недопила;
В исходных данных для расчетов обычно задается величине диаметра дерева на высоте груди D1,3, разряд высот или бонитет и порода дерева. Эти данные служат для определения эксплуатационных параметров дерева. По справочнику или таксационным таблицам определяются длина ствола (хлыста) L и его объем qC в соответствии с диаметром D1,3.
Общая высота дерева определяется с учётом вершины дерева
, м, (1.1)
где lB – длина вершины дерева, lB = 3 – 4 м.
Диаметр дерева в месте спиливания
, (1.2)
где KK – коэффициент, учитывающий форму комля (табл. 1.1).
Т а б л и ц а 1.1
Значение коэффициента формы комля KK
| Порода дерева | KK |
| Липа, ольха, осина, ясень Пихта, сосна, берёза Бук, ель, кедр Лиственница Дуб | 1,10 1,20 1,25 1,30 1,40 |
В практических расчетах приспособлений и механизмов для валки деревьев допускается принимать KK = 1,2. Основные размеры элементов дерева и расстояния от их центров тяжести до плоскости спиливания определяются в зависимости от породы дерева и его высоты. Данные зависимости приведены в табл. 1.2.
Т а б л и ц а 1.2
Средние значения эксплуатационных показателей деревьев разных пород
| Показатели | Порода деревьев | |||
| сосна | ель | берёза | осина | |
| DK | (0,12…0,14)H | (0,14…0,20)H | (0,14…0,18)H | (0,16…0,20)H |
| LK | (0,2…0,3)H | (0,5…0,65)H | (0,3…0,4)H | (0,25…0,35)H |
| HD | (0,85…0,9)H | (0,5…0,6)H | (0,65…0,8)H | (0,85…0,92)H |
| HB | HD | 
| 
| |
| HK | H-0,5LK | |||
| HC | 0,32H |
Эксплуатационные параметры спиливаемого дерева определяют глубину подпила (а) и толщину недопила (с). На рис. 1.4 представлены два варианта спиливания дерева: с подпилом при валке дерева бензиномоторными пилами (рис. 1.4 а) и без подпила машинным способом (рис. 1.4 б). Значения подпила и недопила, при использовании бензиномоторных пил, определяются на основе правил валки деревьев.
Глубина подпила зависит от наклона дерева или направления ветра:
– при обратном наклоне дерева или встречном ветре;
– для прямостоящих деревьев;
– при попутном наклоне дерева или попутном ветре.
Величина недопила зависит от диаметра дерева и составляет:
с= 0,01…0,02 м при D <0,2 м;
с= 0,02…0,03 м при D= 0,2…0,4 м;
с= 0,03…0,04 м при D= 0,4…0,6 м;
с= 0,04…0,05 м при D> 0,6 м.
а б
Рис. 1.4. Размеры дерева в месте спиливания и параметров подпила
Длина недопила (рис. 1.4, а) приближённо определяется по формуле
, м. (1.3)
В начальный момент падения дерева после спиливания с подпилом происходит его поворот вокруг оси центра тяжести сечения недопила (т. О на рис. 1.4 а). Расстояние между осью ствола дерева и осью центра тяжести недопила составляет
, м. (1.4)
При валке дерева без подпила (рис. 1.4, б) величину l можно определить из приближенного выражения
, м. (1.5)
Длина отрезка, соединяющего концы дуги сегмента (рис. 1.4, б)
м. (1.6)
Средняя длина недопила, при машинной валке без подпила
, м (1.7)
Вес дерева определяется из суммы веса ствола, коры, кроны и осадков (снега для хвойных деревьев).
Вес ствола
, Н, (1.8)
где Gхл – вес хлыста, Н;
Gк – вес коры, Н.
Вес хлыста без коры
, Н, (1.9)
где qс – объём хлыста, м3;
γс – объёмный вес древесины хлыста (табл. 1.3), Н/м3.
Вес коры
, Н, (1.10)
где qк – объём коры, м3;
γк – объёмный вес коры, Н/м3.
Объем коры зависит от объема хлыста и составляет в среднем:
для сосны 
для ели 
для березы и осины 
для лиственницы 
.
Вес кроны
, Н, (1.11)
где qкр – объём кроны, м3;
γ кр – объёмный вес кроны, Н/м3;
Кл – коэффициент, учитывающий вес листьев или хвои (для сосны, лиственницы, берёзы и осины Кл = 1,3; Кл = 2,0; для лиственницы, берёзы и осины в зимний период Кл = 1,0).
Значения объёмного веса древесины хлыста, коры и кроны приведены в табл. 1.3.
Т а б л и ц а 1.3
Объёмный вес древесины, коры и кроны в свежесрубленном состоянии
| Порода древесины | Объемный вес, Н/м3 | ||
| древесины γc | коры γс | кроны γс | |
| Сосна | |||
| Ель | |||
| Береза | |||
| Осина | |||
| Лиственница | |||
| Бук | |||
| Дуб |
Объём кроны зависит от породы и объёма хлыста и составляет в среднем:
для сосны 
;
для лиственницы 
;
для ели 
;
для березы 
;
для осины 
;
В зимний период времени при валке сосны и ели учитывается также вес осадков (вес снега), центр тяжести которых можно принять совпадающим с центром тяжести кроны.
Вес осадков (вес снега)
, Н, (1.7)
где ρсн – удельное давление снега на крону (приведенное к площади сечения ствола на высоте груди), Н/м2; для сосны ρсн = (4...6)·104 Н/м2, для ели ρсн = (5...20)·104 Н/м2.
Из внешних воздействий на стоящее дерево наибольшее значение имеет ветровая нагрузка, которую можно приближенно рассматривать как силу лобового сопротивления кроны. При этом силой воздействия ветра на ствол можно пренебречь.
Сила лобового сопротивления кроны
, Н, (1.8)
где Сх – коэффициент лобового сопротивления кроны (величина Сх зависит от скорости ветра), с2м;
ρ – плотность воздуха (ρ =1,25 Н/м3);
Sк – площадь лобового сопротивления кроны, м2;
VВ – средняя скорость ветра, м/с;
КД – коэффициент, учитывающий пульсацию скоростного напора и динамичность возникающих при этом нагрузок (КД =1,4...1,6; меньшие значения принимаются для деревьев высотой до 30 м, а большие – для деревьев высотой до 40 м).
Коэффициент лобового сопротивления кроны
, с2/м, (1.9)
где m0, m1, m2 – коэффициенты корреляционного уравнения (определяются по табл. 1.4).
Т а б л и ц а 1.4
Коэффициенты уравнения для определения Сх
| Порода | m0 | m1 | m2 |
| Сосна | 0,725 | 0,249·10-1 | 0,239·10-3 |
| Ель | 0,944 | 0,597·10-1 | 0,134·10-2 |
| Берёза | 0,258 | 0,740·10-2 | 0,861·10-4 |
Площадь лобового сопротивления кроны
, м2, (1.10)
где f1 – коэффициент формы кроны;
f2 – коэффициент густоты кроны (для деревьев, сбрасывающих листву или хвою, значения коэффициентов зимой и летом различны).
Значения коэффициентов f1 и f2 приведены в табл. 1.5.
Таблица 1.5
Коэффициенты формы и густоты кроны
| Порода | f1 | f2 |
| Сосна Ель Берёза, осина (летом) Берёза, осина (зимой) | 0,5 0,67 0,785 0,785 | 0,75 0,5…0,6 0,5…0,6 0,1…0,2 |
1.3. Расчёт усилий для направленной валки дерева
Расчёт усилия для опрокидывания дерева валочной вилкой, гидроклином или механизмом для направленной валки ведётся по нескольким значениям угла поворота дерева γ вокруг точки О от своего начального угла наклона β. Угол γ в расчётах изменяется с шагом 20 до положительного значения в сторону валки 4…60. Максимальное усилие определяется из суммы моментов всех сил, действующих на дерево при его валке, относительно точки О. Значение опрокидывающего момента Мопр для i-го положения дерева определяется по формуле
, (1.11)
где МНi, МСi, МКi, МОСi, МВi – моменты от недопила, веса ствола, кроны, осадков и ветровой нагрузки для i -го положения дерева, соответственно.
Момента сопротивления недопила, вызываемого его изломом при падении дерева, включает три этапа. На первом этапе волокна древесины испытывают напряжения, не превосходящие предела пропорциональности и момент сопротивления недопила изменяется по линейному закону в зависимости от угла полворота. Дерево при этом поворачивается на угол 1,5-20 от начального положения. Момент сопротивления недопила на первом этапе
(1.12)
где J – момент инерции сечения недопила, м4; Е – модуль упругости при статическом изгибе древесины вдоль волокон, Н/м2; βi – угол поворота дерева при его валке, град; βн – начальный угол наклона ствола дерева, град; h – высота подпила, м.
Момент инерции сечения J определяется по формуле
. (1.13)
Высота изгибаемой части недопила h зависит от диаметра дерева, глубины подпила, угла подпила и в среднем может быть принята 7...10 см.
На втором этапе излома недопила, волокна древесины испытывают напряжения превосходящие предел пропорциональности и зависимость прикладываемого момента от угла поворота перестаёт быть линейной. Второй этап продолжается до поворота дерева на 6…70 от своего первоначального положения, когда напряжения излома достигают предела прочности. Построение кривой изменения сопротивления недопила на втором этапе производится плавным соединением значения окончания первого этапа до максимального момента сопротивления, которое определяется по формуле
, Н·м, (1.14)
где [ σн ] – предел прочности древесины при изгибе, Н/м2; Wu -момент сопротивления сечения недопила изгибу, м3.
Момент сопротивления сечения недопила при валке с подпилом
, м, (1.15)
и при валке без подпила
, м (1.16)
В третьем периоде происходит разлом недопила и его момент сопротивления резко уменьшается.
Т а б л и ц а 1.6
Механические свойства древесины
| Порода | Предел прочности, мПа (106 Па) | Модуль упругости, гПа (109 Па) | |
| при изгибе [σи] | при сжатии вдоль волокон [σсж] | ||
| Сосна | 8,9 | ||
| Кедр | 6,1 | ||
| Лиственница | 11,0 | ||
| Ель | 6,3 | ||
| Пихта | 5,7 | ||
| Берёза | 11,0 | ||
| Бук | 9,2 | ||
| Дуб | 7,1 | ||
| Осина | 7,9 | ||
| Ясень | 8,8 |
На рис. 1.5 представлен график изменения момента недопила (кривая МН). Его построение производится последовательно для трех этапов.
Определение момента от веса ствола производится по формуле
, Н·м (1.17)
где угол βi берётся со знаком «+» при положительном наклоне и sin βi также положителен и со знаком «-» при отрицательном наклоне и sin βi отрицателен.
Момент от веса кроны
, Н·м (1.18)
где е – эксцентриситет кроны и знак «+» перед е берётся при обратном эксцентриситете, а знак «-» при попутном эксцентриситете; НК – высота центра тяжести кроны от места спиливания.
Момент от веса осадков
, Н·м (1.19)
где е – эксцентриситет осадков и знак «+» перед е берётся при обратном эксцентриситете, а знак «-» при попутном эксцентриситете; НОС – высота центра тяжести осадков от места спиливания, можно принять НОС=НК.
Момент от ветровой нагрузки при наклоне ствола на угол 
можно принимать постоянным для всех значений угла βi.
, Н·м (1.20)
По полученным значениям моментов сил, действующих на дерево в процессе валки, строятся графики зависимостей этих моментов от наклона дерева βi для заданного диапазона угла поворота от βнач до положительного наклона в 4...60, как было указано ранее. После строится график суммарного опрокидывающего момента Мопрi и находится его максимальное значение Мопрi=Ммах (рис. 1.5).
Максимальное усилие для направленной валки, создаваемое валочной вилкой, гидроклином, гидродомкратом или сталкивающим устройством ЗСУ лесозаготовительной машины, определяется с учётом коэффициента запаса
, (1.21)
где КЗ – коэффициент запаса равный 1,05...1,1.
Усилие рабочего, прикладываемого к валочной вилке, (см. рис. 1.3)
Н (1.22)
При валке дерева с помощью гидроклина или гидродомкрата, их требуемая грузоподъёмность
Н, (1.23)
где АГ – расстояние от точки приложения усилия гидроклина или гидродомкрата до точки О, м;
lГ – расстояние от края пропила до точки приложения усилия гидроклина или гидродомкрата (lГ= 0,07 м).
Рис.1.5 Моменты, действующие на дерево в процессе направленной валки
