Достоинства и недостатки колесной и гусеничной баз лесопромышленных тракторов
Среди задач, стоящих сегодня перед лесным сектором экономики РФ, - повышение эффективности лесопользования, увеличение объемов заготовки древесины на всех видах рубок леса при обязательном соблюдении критериев устойчивого лесопользования. Для увеличения объема заготовки необходимо создание и ввод в эксплуатацию новых специальных лесных машин, которые при приемлемом уровне стоимости показывали бы высокую производительность и не наносили вреда окружающей среде.
Колесные тракторы являются перспективной базой для лесных машин - по сравнению с гусеничными, производительность у них выше за счет более высоких транспортных скоростей. Однако, как известно, на более чем 60% территории лесного фонда России почвогрунты слабые, что существенно ограничивает возможность применения машин на колесной базе.
Уже несколько десятилетий ученые и производственники, конструкторы и технологи лесной промышленности дискутируют, каким движителем наиболее целесообразно оснащать лесопромышленные тракторы. В ходе дискуссии обсуждаются разные стороны производственных процессов, зарубежный опыт, выделяются некоторые достоинства движителей, отдельные конструктивные решения.
Один из наиболее часто обсуждаемых вопросов - проходимость лесных машин, под ней понимают такие заложенные в конструкцию возможности, которые обеспечивают не только способность двигаться по плохим дорогам и в условиях бездорожья и преодолевать различные препятствия, встречающиеся на пути, но и возможность эффективной работы в сложных дорожных условиях.
Проблема обеспечения эффективной проходимости лесных машин многоплановая, и при ее решении должны учитываться такие нюансы, как способность техники преодолевать естественные препятствия (пни, камни, валежины, рвы, глубокий снежный покров и т. п.), двигаться по пересеченной местности (в том числе по затяжным подъемам) и на грунтах с низкой несущей способностью (водонасыщенных, покрытых рыхлым снегом и т. п.).
Несущая способность почвогрунта влияет на выбор движителя, скорость передвижения лесной техники, а следовательно на производительность и эффективность работы машины.
Проходимость техники характеризуется геометрическими и опорно-сцепными показателями.
К геометрическим показателям относятся:
- Дорожный просвет (клиренс) - расстояние между наиболее выступающим элементом нижней части лесной машины и полотном опорной поверхности. Большой дорожный просвет позволяет преодолевать препятствия в виде пней, камней, валунов, глубокого снежного покрова, а также повышает проходимость на переувлажненных и заболоченных участках. Увеличение дорожного просвета обеспечивают путем использования колес большого диаметра и уменьшения габаритов главной передачи. Стоит отметить, что с увеличением дорожного просвета ухудшается устойчивость машины.
- радиусы продольной и поперечной проходимости. Это радиусы вписанных окружностей между колесами и точками нижней части лесной машины, видимыми между колесами, соответственно, в продольной и поперечной плоскости. Они позволяют определять максимальную высоту препятствия, которое может преодолевать машина.
- Радиус горизонтальной проходимости - это расстояние от центра поворота колеса до крайней точки крыла переднего колеса при повороте колес на максимальный угол. Он характеризует максимальный радиус поворота лесной машины, ее маневренность, размеры поворотного круга и площади, необходимой для разворота.
- Углы переднего и заднего свеса (углы въезда и съезда) образуются между опорной поверхностью и плоскостями, касательными к колесам, и наиболее выступающими точками низа передней и задней частей лесной машины. Эти углы характеризуют способность машины преодолевать рвы, ямы, канавы. Изменения углов наклона передней и задней ветвей гусеничной ленты трелевочного трактора по-разному влияют на проходимость. С уменьшением этих углов увеличивается опорная поверхность гусеницы, но ухудшается способность машины преодолевать препятствия.
К сцепным показателям относится коэффициент сцепления движителя с опорной поверхностью. Он зависит от площади опорной поверхности гусеницы или пятна контакта колеса, среднего давления движителя, допустимого буксования, связности частиц грунта и угла внутреннего трения грунта.
Значение коэффициента сцепления в большой степени зависит от конструкции шин и внутреннего давления воздуха. Для реализации колесным движителем большой силы тяги по сцеплению необходимо, чтобы конструкция шины обеспечивала необходимый коэффициент сцепления даже на скользких опорных поверхностях и рыхлых грунтах. Увеличение диаметра и ширины профиля шины в сочетании со снижением внутреннего давления воздуха приводит к увеличению коэффициента сцепления.
Важен и рисунок протектора шины. Колесные лесные тракторы, предназначенные для работы на мягких грунтах, оборудуются специальными широкопрофильными шинами с высокими грунтозацепами.
Анализ мер, принимаемых машиностроителями разных стран с целью повышения проходимости лесных машин, показывает, что основным направлением решения проблемы является совершенствование ходовой части и движителей машин. Производители увеличивают клиренс машин, оснащают их колесами большого диаметра с мощными грунтозацепами и широкопрофильными шинами. При изготовлении шины для современного лесопромышленного трактора применяется сложная технология, используются дорогостоящие оборудование и материалы. Достаточно отметить, что шина трелевочного трактора компании Clark tracks выполнена из полиамидного волокна кевлар, прочность которого в несколько раз выше прочности стали. Поэтому шина является одним из дорогих агрегатов трактора. Появились трелевочные машины со спаренной ошиновкой колес. Были созданы трелевочные машины с колесной формулой 6х6 и 8х8. Для увеличения тягово-сцепных свойств и снижения удельного давления на грунт машины стали оснащать цепями и гусеницами. Однако меры, принимаемые для повышения проходимости лесных машин при освоении лесосек со слабыми, переувлажненными грунтами, пока не дают необходимых результатов. Сезонный характер работы лесозаготовителей устранить не удается.
Конструкции и технические характеристики гусеницы трактора 1930-х годов и гусеницы лесопромышленного трактора 1980-х годов почти не отличаются - это узел, собранный из тяжелых, шарнирно сочлененных между собой стальных звеньев. У такой гусеницы большая масса, она рассеивает много энергии, интенсивно изнашивается. В течение пятидесяти лет технический прогресс не влиял на изменение гусениц трелевочных тракторов, находящихся в серийном производстве. Поэтому укоренившееся в сознании многих ученых и конструкторов мнение о неперспективности гусеницы как движителя привело к тому, что в настоящее время специалисты сосредоточились в основном на совершенствовании конструкции тракторных колес.
На снижение эффективности работы гусеничного движителя трелевочных тракторов влияет также несовершенная конструкция ступенчатых механизмов поворота с фрикционными элементами управления, работающими всухую и характеризующимися плохой управляемостью. Радиус поворота трактора не отвечает в точности положению рычага управления машиной, которое задает тракторист. Это обстоятельство вынуждает тракториста включать и выключать механизмы поворота отстающего борта в процессе поворота, и режим поворота носит релейный характер. При таком способе поворота уменьшение скорости вращения ведущего колеса отстающего борта обеспечивается буксованием фрикционного элемента и рассеиванием энергии. Во всем диапазоне поворота кпд ступенчатого механизма изменяется от 1 до 0,65, то есть до 35% передаваемой энергии может рассеиваться в механизме поворота при нефиксированном радиусе поворота. При трелевке оператор трелевочного трактора вынужден 60-70% машинного времени тратить на манипуляции с рычагами управления механизмов поворота.
Сравнивая гусеничный движитель с колесным, можно отметить ряд преимуществ гусеницы перед колесом. У колесного движителя в контакте с грунтом находится около 10% площади наружной поверхности колеса (у шин сверхнизкого давления - до 16%), а у гусеничного движителя в контакте с грунтом находится 40% площади гусеницы. Следовательно, сцепные свойства гусеничного движителя в несколько раз выше, а потери мощности от буксования в 3-4 раза меньше, чем у колесного.
Известна гусеница с разнесенными звеньями, масса которой меньше гусеницы обычной конструкции, а сцепные свойства в 3-4 раза выше. В результате исследований эффективности работы сельскохозяйственных тракторов установлено, что у колесного трактора на вспашке удельный расход топлива на единицу обрабатываемой площади на 30-40% больше, чем у гусеничного.
В шарнирах и при перематывании теряется до 10% подводимой к движителю энергии, а при качении шины по бетонной дороге на ее деформацию затрачивается только 1-2% подводимой к колесу энергии. Однако при движении машины по сильно деформированному почвогрунту потери энергии этих типов движителей почти одинаковые.
Попытка решения проблемы обеспечения оптимальной проходимости колесных машин путем увеличения числа ведущих осей привела к значительному усложнению трансмиссии, снижению ее коэффициента полезного действия и циркуляции паразитной мощности, для борьбы с которой до сих пор не найдены способы. Несмотря на значительное усложнение трансмиссии, снижение ее коэффициента полезного действия и циркуляцию паразитной мощности, проходимость колесных машин не достигла проходимости гусеничных, а собственная масса некоторых колесных машин превосходит полезную нагрузку. Кроме того, у гусеничного трелевочного трактора выше динамическая устойчивость.
Использование на лесозаготовках машин повышенной проходимости сопровождается значительным разрушением лесных почвогрунтов. Лесная техника становится все более тяжелой, энергозатратной и дорогой. Технологии и оборудование, которые ранее успешно применялись при разработке лесосек со слабыми переувлажненными грунтами, не соответствуют современным требованиям машинных лесозаготовок. В настоящее время в мире нет машин для лесосечных работ, которые можно без проблем эксплуатировать на переувлажненных грунтах с низкой несущей способностью. Машин, которые в условиях бездорожья могут многократно передвигаться по одному и тому же следу, нет и у военных. Машины с широкими гусеницами и на воздушной подушке не могут применяться на лесосеках из-за пней.
В процессе работы на лесосеках с переувлажненными грунтами лесные машины, многократно совершающие возвратно-поступательные перемещения по трелевочному волоку, разрушают почвогрунт и образуют колеи. Колееобразование приводит к снижению рейсовых нагрузок и производительности машин, их преждевременному износу и выходу из строя, увеличению расхода топлива, невозможности эксплуатации машин, когда глубина колеи достигнет величины дорожного просвета (клиренса) машины.
Чувствительность лесных почв к повреждению в процессе лесосечных работ является одним из основных факторов, определяющих эффективность лесозаготовительного производства, возможность применения тех или иных технологий, способов рубки и использование комплексов лесных машин, а также способ лесовосстановления, продуктивность и устойчивость лесных насаждений после рубок.
Движитель при движении трактора оказывает уплотняющее действие на почву, которое оценивается конечной плотностью (т/м3), являющейся одним из основных параметров, характеризующих последующее плодородие почвы. Следует отметить, что плотность почвы включена в ГОСТ 7057-84 как основной оценочный показатель воздействия движителя на почву. Исследователи процессов воздействия сельскохозяйственных тракторов на почвы сельскохозяйственных угодий для установления экологической совместимости системы «движитель - почва» применяют показатель воздействия движителя на почву. Установлена функциональная связь с этим показателем таких параметров, как плотность, скважность, влагоемкость, пористость, биологическая активность, наличие массы корневой системы. Плотность почвы в следах движителя зависит от давления движителя и числа проходов машин.
В шинах перспективных колесных движителей лесопромышленных тракторов можно снижать давление воздуха только до 0,15 МПа. Снижение давления воздуха приводит к сокращению долговечности шины, увеличению рассеивания энергии за счет внутримолекулярного трения при деформации шины, уменьшению скорости движения трактора. Следовательно, среднее и максимальное давление колесного движителя лесопромышленного трактора будут значительно выше допустимого по экологической совместимости системы «движитель - почва». С увеличением максимального давления движителя на опорную поверхность ухудшается проходимость лесосечных машин по глубокому снежному покрову и почвам с малой несущей способностью.
Снижение давления гусеничного трактора на опору без уменьшения массы машины и увеличения ее базы может быть достигнуто путем увеличения числа опорных катков, шага или ширины звеньев гусеницы. В практике тракторостроения чаще всего применяются первый и третий способы. Однако увеличение числа катков при неизменной базе возможно лишь при уменьшении их диаметра, но это ухудшает проходимость при преодолении различных препятствий на лесосеке. Уширение звеньев гусеницы приводит к значительному увеличению массы ходовой системы трактора. Кроме того, уширенные звенья менее прочны, чем обычные, и быстро выходят из строя при движении по каменистым почвам и лесным волокам.
В рекламных целях фирмы лесного машиностроения Швеции, Финляндии и других стран приводят в своих проспектах данные о давлении, которое рассчитывалось по методике, принципиально отличающейся от методики, прописанной в отечественных стандартах. В соответствии с ней, среднее давление на почву колесной машины устанавливается путем деления нагрузки, приходящейся на колесо, на произведение его ширины и радиуса. Среднее давление определяется с учетом погружения колеса в грунт на глубину, составляющую 15% его диаметра (рис. 1, а). Так, колесо 600-26,5 диаметром 1335 мм погружается в грунт на 200 мм, при этом образуется колея такой же глубины. При использовании вспомогательных гусениц в колесных тракторах давление на грунт также рассчитывается с учетом погружения движителя в грунт (рис. 1, б). В табл. 1 приведены данные, из которых следует, что средние показатели удельного давления, рассчитанные по скандинавской методике, в два-три раза меньше аналогичных показателей, рассчитанных по отечественному стандарту.
по разным методикам
В трудах профессоров Юрия Герасимова* и Владимира Сюнева** приведены результаты проведенных зарубежными учеными сравнительных испытаний колесных и гусеничных машин примерно равной массы. При испытании обеих машин глубина колеи растет с увеличением числа проходов по волоку. Колесная машина (шестиколесный форвардер массой 20 100 кг, среднее давление на грунт - 93 кПа) оставляла более глубокую колею, чем гусеничная (гусеничный харвестер на базе экскаватора массой 19 900 кг, давление на грунт - 35 кПа). Глубина колеи после двух проходов колесной машины на всех типах обследованных грунтов была почти равна глубине колеи гусеничной машины, сделавшей в тех же условиях восемь проходов по одному и тому же следу.
В России и за рубежом было создано несколько вариантов пневмогусениц, ленточных гусениц, пневмотраков из различных синтетических материалов, позволяющих оснастить машину движителем с очень низким средним давлением. Легкая пластичная гусеница позволила создать трелевочный трактор с высокой энергонасыщенностью (11 кВт/т) и скоростью движения до 23,5 км/ч.
Гусеница из легких высокопрочных материалов с оптимальной площадью опорной поверхности обеспечивает экологическую совместимость системы «движитель - почва», высокую скорость движения машины, хорошую проходимость и малую удельную металлоемкость конструкции. Снижение массы гусеничного движителя приводит к увеличению энергонасыщенности трактора.
Особо следует отметить снижение отрицательного влияния на почвенный покров и подрост леса гусеничного движителя с малым давлением в сочетании с трансмиссией, обеспечивающей плавный бесступенчатый поворот машины. У лесной машины на базе такого гусеничного трактора будет высокая экологическая эффективность и проходимость, низкий удельный расход топлива, то есть будет обеспечен рост производительности при снижении затрат.
Анализ способа передачи энергии от двигателя к движителю, технических решений и развития лесных машин позволяет утверждать, что наибольшую эксплуатационную и экологическую эффективность трелевочному трактору обеспечит гидрообъемная трансмиссия, позволяющая бесступенчато изменять силу тяги в соответствии с изменениями сил сопротивления и плавно поворачивать машину без рассеивания энергии в механизмах поворота. Это решение позволит значительно повысить эксплуатационную эффективность и технический уровень лесопромышленного трактора как базы для различных лесных машин.
энергонасыщенных трелевочных тракторов
На основе анализа научных исследований в области развития отечественного и зарубежного лесного машиностроения проф. Александром Кочневым*** был сделан прогноз сравнительных параметров и характеристик перспективных колесных и гусеничных трелевочных тракторов, созданных на основе прогрессивных технических решений (табл. 2).
Вышеприведенные результаты исследований позволяют предположить, что колесный трактор в перспективе окажется неконкурентоспособным в отношении гусеничного.
Применение гидрообъемной передачи в трансмиссии и гусениц из синтетических материалов приведет к значительному увеличению стоимости лесопромышленного трактора по сравнению со стоимостью моделей машин, выпускаемых и эксплуатируемых в настоящее время, но эти затраты во многих случаях будут оправданны.
Трелевочный трактор на базе гусеничного лесопромышленного трактора с вышеописанной компоновкой сможет выполнять прямую вывозку леса к магистральной лесовозной дороге, промежуточному складу. В ряде лесопромышленных районов такая транспортная схема освоения лесосек принесет экономический эффект, так как отпадет необходимость строить временные дорожные ветки и усы.
Игорь ГРИГОРЬЕВ, д-р техн наук, зав. кафедрой ТЛЗП СПбГЛТУ,
Антонина НИКИФОРОВА, канд. техн. наук, доц. каф. ТЛЗП СПбГЛТУ,
Владимир ЛИСОВ, аспирант каф. ТЛЗП СПбГЛТУ
