Перспективы развития сортиментных лесозаготовительных машин
Воспоминание о будущем
Сегодня используются два основных способа заготовки леса: сортиментный и хлыстовой. Можно долго спорить о преимуществах обоих методов, но основными условиями как для одного, так и для другого являются неистощительный способ ведения лесного хозяйства и стоимость заготовки 1 м3 древесины.
Рис. 1. Стандартная компоновка
харвестера/форвардера
Иногда неистощительность приносят в жертву, сосредоточиваясь на стоимости кубометра. Но в результате проведения такой политики наступает истощение доступных запасов древесины. И лесозаготовителям приходится прокладывать новые дороги - к новым делянкам, но через какое-то время выясняется, что и на этих участках ресурсы исчерпаны, и т. д. В конце концов лесозаготовитель упирается в проблему: леса в стране много, но он недоступен. А вдоль доступных дорог растет тот лес, который неинтересен лесопромышленникам: осинник, березняк и т. п. И такая картина во всех лесных регионах нашей страны. А вот, например, в Финляндии в самые трудные для экономики времена не отказывались от неистощительного подхода к использованию лесных запасов.
Неистощительный способ ведения лесного хозяйства оказывает большое влияние на развитие лесного машиностроения в мире. Оставив пока за скобками хлыстовую технологию заготовок, которая в принципе так же востребована и может применяться на сплошных рубках, подробно рассмотрим особенности сортиментной технологии заготовки древесины, а также конструкции и возможности лесных машин, используемых при этой технологии заготовок.
В основе конструкции харвестера и форвардера две сочлененные рамы, поворот машин обеспечивается их складыванием. У обеих машин колесный ход с вариантами в шести- и восьмиколесном исполнении.
Для лучшей проходимости на портальные тележки машин дополнительно устанавливаются специальные гусеницы, а на колеса - в основном цепи, очень редко гусеницы.
Рис. 2. Переднее расположение манипулятора
харвестера
Рис. 3. Расположение манипулятора сбоку кабины
Рис. 4. Расположение основания манипулятора
харвестера по бокам кабины
На передней раме форвардера устанавливаются только кабина и двигатель с топливным и гидравлическим баками. На задней раме харвестера устанавливается дизельный двигатель с топливным и гидравлическим баками и гидростатической трансмиссией, а также гидронасос для рабочей гидравлики. Задняя рама форвардера отведена под грузовой отсек и манипулятор, который расположен за защитной решеткой, почти над узлом сочленения рам. Управление обеих машин выполняется с помощью компьютеризированных систем, которые, кроме того, измеряют параметры и объем заготовленной древесины, контролируют работу дизельных двигателей и выполняют еще массу функций, что позволяет оператору максимально сосредоточиться на процессе работы.
Связь между блоками осуществляется по шине CAN (Cannot Area Network). Это кабель с четырьмя проводами, два из которых обеспечивают стабилизированное питание, а два предназначены для передачи данных. Есть варианты кабеля, в котором предусмотрены дублирование и резервирование передачи, поэтому число проводов в кабеле шины может увеличиться до шести или восьми.
Харвестер срезает и раскряжевывает деревья на бревна с обрубкой сучьев. Его главный рабочий орган - агрегат, который называется харвестерной головкой. Подразделяются харвестеры по весу агрегатов / головок на машины для выборочных и для сплошных рубок.
Форвардер - машина, которая оснащена стрелой манипулятора с захватным устройством, предназначенным для погрузки заготовленных сортиментов в грузовую тележку. Форвардер вывозит лес с делянки, предварительно рассортировав его по сортам и породам. Затем бревна укладывают в штабели рядом с дорогой для вывозки лесовозами. Подразделяются форвардеры по тоннажу перевозимого груза, причем у каждого производителя широкая линейка этих машин - для подбора оптимального объема затрат на кубометр вывозки.
Все эти машины в условиях российских лесов используются для сплошных рубок, хотя главное их предназначение - выборочные рубки. Машины для сплошных рубок - с накопительными головками и диском в качестве пилы - используются в Канаде и США, где лес сажают и выращивают на плантациях, а заготовленный лес трелюют скиддерами.
Конечно, у лесных машин для сортиментной заготовки, которые предлагает на рынке «большая тройка» производителей: компании Komatsu, Ponsse и John Deere, - есть свои особенности, но общая компоновка и принципы конструкции одинаковы.
Рис. 5. Принципиальная схема
размещения электронных блоков
системы управления сортиментной
машиной: М1 – модуль управления
агрегатом, харвестерной головкой;
М2 – модуль управления
манипулятором; М3 –модуль
управления джойстиками; М4 –
центральный модуль управления,
связывающий систему модулей в
одно целое, а также раздающий
электропитание; М5 – модуль
управления трансмиссией; М6 –
модуль управления
дополнительными функциями;
РС – персональный компьютер;
ECU – модуль управления
дизельным двигателем
А если представить себе, какими будут лесные машины в будущем и помечтать о том, что бы я добавил в их конструкции, будь я главным конструктором сортиментных машин? Сразу оговорюсь: все сказанное ниже - только мое мнение, которое ни в коем случае не следует считать мнением какого-нибудь производителя машин.
Заглянем в будущее лесных машин - сначала в ближнюю перспективу, так сказать на одну пятилетку, что примерно соответствует обновлению модельного ряда машин у всех производителей, а затем на 15-20 лет вперед.
В ближайшие несколько лет общая компоновка харвестера не претерпит изменений. По-прежнему будет использоваться механическая трансмиссия от фирмы NAF, разве что в мостах добавятся датчики уровня масла, чтобы измерять как недостачу гидравлического масла, так и переполнение им корпусов. В связи с увеличением тяговых нагрузок возрастут прочность и вес мостов и раздаточных коробок.
Однако следует помнить: показания с этих датчиков надо снимать, только когда машины будут неподвижны, отсекая ложные срабатывания. Данные, полученные с этих датчиков, следует отправлять в систему самодиагностики машины. Для раздаточной коробки также необходимы датчики уровня и обязательно датчики отслеживания включения передач, повышенной и пониженной, а также подключения второго моста.
Гидростатическая трансмиссия. Будет изменяться и улучшаться программа управления наклоном плит насоса и мотора в модуле управления трансмиссией (то есть производительность насоса и мотора можно контролировать с помощью датчиков: измерять скорость вращения валов и снимать данные о значениях давления подпитки системы, а также давления в предохранительных клапанах). Вся эта информация будет поступать в систему самодиагностики, что позволит увеличить тяговый момент, предохранить насосы и моторы от поломок из-за перегрузок машин, а также быстро диагностировать неисправности. Накапливая и анализируя сведения о неисправностях, можно будет отслеживать сбои в работе машин и планировать их ремонт, исходя из информации, полученной от датчиков.
Рис. 6. Размещение датчиков уровня
масла
Дизельный двигатель. В связи с ужесточением экологических требований будут модифицированы системы впрыска топлива и очистки выхлопных газов. Возможно также появление в них дополнительных датчиков для отслеживания ужесточенных параметров выхлопных газов. Все большее значение будет приобретать качество дизельного топлива, с учетом его удорожания будут проводиться работы по внедрению биодизельного топлива.
Рабочая гидравлика. Эта система также будет снабжаться датчиками для отслеживания значений критического давления в разных распределителях и узлах для облегчения самодиагностики и прогнозирования замен узлов и агрегатов гидросистемы. Рабочее давление в системе будет увеличено для повышения КПД системы, что приведет к необходимости активной борьбы с утечками масла путем повышения качества шлангов и перехода на более надежные, чем сейчас, виды соединительной арматуры.
Гидравлические распределители машин. В них появятся датчики гидравлических потоков и давления, что обеспечит более полное представление о работе системы гидравлики. Управление нагрузкой гидравлических насосов будет полностью зависеть от затрат мощности в пределах необходимых параметров. Этот принцип управления нагрузкой насоса позволит работать с максимальной экономией дизельного топлива и ресурса насоса.
Конструкторы продолжат работы по повышению прочности манипуляторов харвестеров, одновременно решая задачи снижения их веса и удешевления конструкций. Пока наиболее перспективной представляется схема расположения манипулятора на новых харвестерах Ponsse, но только эксплуатация в течение трех - пяти лет покажет жизнеспособность такой схемы.
Рис. 7. Размещение датчиков давления и потока в принципиальной схеме рабочей гидравлической системы: 1 – датчик давления; 2 – датчик потока, расходомер; датчики на распределителе – 1)потока и 2)давления гидравлики, а также 3)потока в линии управления насоса.
Будет совершенствоваться эргономика кабин операторов путем разработки анатомических кресел, сокращения числа «слепых» зон обзора, введения навески камер обзора в тех местах, где оператор не может наблюдать рабочую ситуацию, например, не может заглянуть за дерево или посмотреть на состояние пильной шины или цепи. Монитор компьютерной системы увеличится, вполне возможно, станет вогнутым, небликующим и небьющимся. Фары освещения для экономии энергии и увеличения степени освещенности рабочей зоны также будут модифицированы - в них будут использоваться светодиодные источники, а включаться они будут автоматически, по мере необходимости, исходя из оценки ситуации на делянке.
В наше время ведется поиск оптимального расположения манипулятора на раме харвестера и решений, позволяющих изменять положение кабины; очень перспективны разработки, цель которых - облегчить оператору управление машиной, а также усовершенствовать систему самодиагностики неисправностей машины. Так как вся промышленная электроника становится все дешевле и надежнее, то внедрение новых датчиков для диагностики параметров работы приведет к развитию программ, которые будут отслеживать отклонения от стандартных режимов работы и докладывать об этом оператору. В связи с внедрением систем передачи данных с бортового компьютера работающего в лесу харвестера или форвардера на смартфон директора, доклад о неисправностях машин и сбоях в режимах их работы также будет поступать и в сервисную службу. В результате будет сокращено время, необходимое для определения неисправностей и выполнения ремонта, уменьшатся простои и тем самым будет повышена производительность лесных машин.
Словом, харвестеры и форвардеры в ближайшем будущем будут все «умнее», за рабочими режимами и состоянием машины будет пристально следить электроника бортовых компьютеров, конструкция машин будет усложняться. Все это неизбежно приведет к их удорожанию. Но повышение производительности и уменьшение эксплуатационных расходов компенсируют удорожание, иначе все изменения конструкций машин будут бесполезными. Это общемировая тенденция развития всей техники.
Ну а теперь немного поговорим о более отдаленном будущем лесной техники.
Рис. 12. Шагающий форвардер
Скорее всего, машины на колесном или гусеничном ходу сохранят гегемонию, и даже спустя десятилетия мы вряд ли увидим харвестер на воздушной подушке. А вот шаговый привод, обеспечивающий технике высокую проходимость, вполне может быть использован при разработке и создании лесных машин. В свое время фирмой Timberjack и ее подразделением - компанией Plustech были спроектированы и построены прототипы шагающих харвестеров. Но вот шагающий форвардер не был создан. Видимо, такая техника выглядела слишком революционно. Направление закрыли, наследник Timberjack - компания John Deere отказалась от сотрудничества с Plustech, а действующий экземпляр шагающего харвестера отправили в музей. Но разработки в области шагающих машин в мире продолжаются. Конечно, в настоящее время такие разработки весьма дорогостоящие, вести их могут позволить себе только единичные фирмы в некоторых странах. Скорее всего, первые серийные машины-шагоходы будут созданы для нужд военных. Но думать о развитии лесной техники нам никто не мешает. Позволю предположить, как можно будет использовать машины с шаговой трансмиссией на лесозаготовках.
Двигатель машины. Вряд ли мы увидим в обозримом будущем харвестер или форвардер, оснащенный электрическими батареями большой емкости и мощности. В принципе, в лесу полно древесины (в виде дров или порубочных остатков), после переработки которой в газогенераторе можно получить топливо для двигателя внутреннего сгорания. Да, в том самом газогенераторе, который изобретен еще нашими дедами, только следить за процессом превращения древесины в горючий газ будет «умная» электроника и чуткие датчики. Возможно, топливо перед загрузкой в газогенератор будет проходить предварительную подготовку: подсушиваться, гранулироваться и прочее, но с ростом цен на естественные энергоносители неизбежно придется искать заменитель топлива. Все пока упирается в цену: будет газогенератор дешевле дизельного двигателя - производители лесной техники перейдут на него.
Рабочая гидравлика. Произойдет переход на масла растительного происхождения, которые будут модифицироваться; принцип передачи энергии гидравлическим приводом, конечно, останется, но гидросистема станет более гибко реагировать на нагрузки и будет более управляемой, чем сейчас.
Манипуляторы машин останутся. Но их конструкция может предусматривать появление дополнительной степени свободы их движений, если для изготовления манипуляторов будут применяться новые материалы, более легкие и жесткие, чем сталь и ее сплавы (например, если производство титана подешевеет или появятся легкие и прочные пластики).
Компьютерная система управления станет мощнее и возьмет на себя некоторые функции, которые сейчас выполняет оператор, что позволит облегчить его работу. В оснащении машины появится еще больше датчиков и программ для управления, самодиагностики и расчета результатов работы. Возможно, лесные машины будут также вооружаться программами сканирования окружающей среды и оптико-радиолокационными системами (применяемыми в настоящее время в ВПК), что поможет оператору определять очередность рубки деревьев. Оператор будет уделять больше времени работе с лесом, планированию волоков, отслеживанию полноты древостоя и будет тщательно выбирать деревья при выборочных рубках.
Но роботы в лесу, наверное, еще не появятся. Поломки устранять пока умеет только человек, а телеуправление машинами в лесу уже было опробовано и признано нецелесообразным. Тем более что условия работы весьма разнообразны - здесь много факторов: сегодня профиль рельефа, состояние почв, смена погоды, времени суток, морозы и жара, ливни и ветра. Все, что влияет на работу техники и вносит коррективы в ее алгоритмы, перечислить невозможно. Так что непременное условие сегодня - присутствие оператора в кабине машины. Но оставить человеку творческую составляющую работы в лесу - это та задача, к решению которой должны стремиться все конструкторы, работающие над модификацией машин.
Оценивать запасы древесины надо с помощью космического мониторинга лесов. Считать покрытую лесами площадь, следить за вырубаемыми площадями вблизи дорог и населенных пунктов. Расчеты и оценку выполнять при помощи разработанных программ распознавания целей, ориентированных на оценку высоты и толщины растущих деревьев. Пусть отечественный ВПК поможет - адаптирует или переформирует оптико-радарные системы прицеливания в мирных целях.
Следующий этап контроля - проверка, пересчёт и сравнение данных, полученных со спутников, с данными, собранными с помощью установленных на беспилотных летательных аппаратах устройств для сканирования и передачи информации. Такие беспилотники, которые должны для обеспечения точности замера запасов леса определять высоту, с которой ведутся измерения, можно запускать с небольших полян и лесных дорог. И третий этап - наземный выборочный проверочный пересчет таксаторами с применением электронных средств измерения и со спутниковой привязкой к местности - для определения погрешностей в результатах измерений, полученных при космическом и воздушном обследовании лесных массивов.
А затем, когда эти данные будут сведены в базы и проверены, можно передавать их на ПК харвестеров и форвардеров. При вырубке леса электроника машин будет окончательно оценивать леса - для корректировки методов измерений.
Но все это пока мысли вслух о развитии лесной техники.
В заключение несколько замечаний не по теме. Пока, на мой взгляд, наше государство не сформировало внятную политику развития лесной и лесозаготовительной отраслей. А без их одновременного развития невозможно оценивать перспективные научные разработки как в машиностроении, так и в лесном хозяйстве. В подготовке кадров для обеих отраслей все еще применяются старые методы работы. И научные изыскания и разработки НИОКР пока далеки от того, чтобы работать на развитие ЛПК в стране.
Возраст рубки хвойных пород - около 80 лет. Максимальный срок аренды лесов сегодня составляет 49 лет. Вряд ли найдется много арендаторов, которые будут заинтересованы сажать лес и ухаживать за ним, если в перспективе результатами его труда может воспользоваться «чужой дядя». Неужели разработчикам Лесного кодекса такая простая мысль не приходила в голову? Ведь из-под палки никто хорошо не работает. Будет у арендаторов интерес к уходу за лесом и восстановлению леса - и заставлять никого не придется, сами будут саженцы лучших культур, как говорится, с руками отрывать. И сажать свой лес будут, чтобы внукам его оставить, и охранять, и от пожаров беречь. Не нужно революционных законов и ломок традиций. Дайте местным компаниям уверенность в завтрашнем дне - гарантируйте, что облагороженный ими лес не уйдет к другим, если его стоимость вырастет, предложите опцион еще на 49 лет как приложение к основному договору аренды - и пусть арендатор свой лес выращивает. Государству надо будет только проверять, не допускает ли лесопользователь отклонений от законов, и помогать, развивая лесную науку и выполняя мониторинг экологической обстановки.
Никто, кроме нас, такое будущее не приблизит. Ведь, оценив состояние леса через десятилетия, наши потомки скажут, были ли мы умны или относились к своему достоянию безалаберно. Не будем надеяться на то, что кто-то сделает лучше за нас. Давайте в меру своих сил менять ситуацию в лучшую сторону!
Владислав Колесников, инструктор филиала ООО «Комацу СНГ»
