Новые варианты использования экскаваторных лесозаготовительных машин
В начале 70-х годов ХХ века фирма Drott (США) создала валочно-пакетирующие машины (ВПМ) на базе гусеничного экскаватора, которые и послужили прообразом отечественных ВПМ такой компоновки.
В конструкции машины, выполненной американской компанией на базе гусеничного экскаватора, были существенные недостатки: большой радиус поворота, невозможность срезать деревья на небольшом расстоянии от гусениц.
Рис. 1. ВПМ ЛП-19: 1 – ходовая система; 2 – ЗСУ;
3 – рукоять; 4 – стрела; 5 – кабина оператора;
6 – отсек двигателя; 7 – отсек гидросистемы
Первой серийной отечественной машиной такого типа была полноповоротная широкозахватная валочно-пакетирующая машина ЛП-19 (рис. 1), выпуск которой был освоен Йошкар-Олинским машиностроительным заводом. Базой для этой машины послужили: трелевочный трактор ТТ-4, от которого была взята ходовая часть, и экскаватор ЭО 41-21.
На ходовую систему опирается поворотная платформа с дизельным двигателем, кабиной оператора и шарнирно-сочлененной стрелой. Подъем и опускание стрелы и рукояти осуществляются гидроцилиндрами. Захватно-срезающее устройство (ЗСУ) шарнирно закреплено на конце рукояти. На верхнем конце стойки имеется захват, на нижнем - захват и механизм срезания.
В настоящее время на сайтах заводов-производителей размещена информация о нескольких марках отечественных ВПМ. Некоторые характеристики выпускавшихся и выпускаемых отечественных полноповоротных ВПМ экскаваторного типа приведены в табл. 1.
У полноповоротных экскаваторных ВПМ отсутствует пакетирующее устройство, что несколько ухудшает ее технологические качества, так как с помощью этой машины невозможно готовить полногрузные пачки для тракторов с пачковыми захватами.
ВП
Таблица 3. Нормы выработки ВПМ ЛП-19 (м3/смену) на валке и
пакетировании деревьев
Оператор, манипулируя гидроцилиндрами стрелы, рукояти и стойки ЗСУ, подводит последнее к дереву, захватывает и срезает его. Затем дерево снимается с пня, переносится к месту укладки и укладывается на землю.
В зависимости от природно-производственных условий возможны несколько вариантов разработки лесосек: с холостыми ходами ВПМ и трелевкой пачек деревьев за комли по пасечным волокам в одном направлении; с челночными ходами ВПМ и трелевкой пачек деревьев в двух направлениях, с круговым движением ВПМ.
Полноповоротные валочно-пакетирующие машины на экскаваторной базе являются самыми высокопроизводительными лесозаготовительными машинами. В табл. 3 приведены сведения о нормативах выработки (м3/смену) на валке и пакетировании деревьев ВПМ ЛП-19, эти нормативы содержатся в Постановлении Министерства труда РФ от 19 декабря 1994 г. № 82 «Об утверждении межотраслевых норм выработки и времени на лесозаготовительные работы».
Распространение скандинавской технологии заготовки древесины, предусматривающей производство сортиментов у пня, привело к появлению харвестеров на экскаваторной базе, которые создаются путем установки харвестерных головок на стрелу экскаватора (подобные машины могут выполнять те же функции, что и специализированные харвестеры, но намного дешевле). У такой компоновки немало достоинств:
- низкие инвестиционные затраты: цена экскаватора-харвестера по сравнению с ценой лесной машины ниже примерно на 30-50%;
- производительность экскаватора-харвестера сравнима с производительностью специализированной лесной машины;
- меньшие затраты, связанные с эксплуатацией и техническим обслуживанием, по сравнению со специализированными харвестерами;
- экскаватор легче продать: его высокая остаточная стоимость сохраняется даже по прошествии нескольких лет эксплуатации;
- экскаваторы предназначены для работы в тяжелых условиях, поэтому у них длительный срок эксплуатации, режим работы экскаватора-харвестера при заготовке леса более щадящий, чем режим экскаватора при копании;
- отсутствие простоев: экскаватор-харвестер может эксплуатироваться круглый год независимо от продолжительности периода заготовки древесины в качестве: харвестера - для валки деревьев, обрезки сучьев и раскряжевки; процессора - для обрезки сучьев и раскряжевки на верхнем складе; погрузчика - при установке на экскаватор грейферного захвата; обычного экскаватора - для строительных и других работ;
- машине требуется меньше передвижений в лесу: платформа экскаватора может поворачиваться на 360°, что позволяет заготавливать лес вокруг машины;
- стрела экскаватора-харвестера двигается синхронно с кабиной, сохраняя хороший обзор рабочей зоны в течение всего периода работы.
Рис. 5. Срезающе-рубительно-трелевочная машина
(СРТМ)
Рис. 6. ВПМ при минимальном вылете
гидроманипулятора:
1 – движитель, 2 – ЗСУ, 3 – кабина оператора,
4 – поворотное устройство; 5 – ось поворота;
6 – гидроцилиндры манипулятора; 7 – стрела;
8 – рукоять; 9 – платформа; 10 – основание;
11 – гидроцилиндр; 12 – противовес
Рис. 7. Положение ВПМ при максимальном вылете
гидроманипулятора
Согласно действующему законодательству, на лесозаготовительные предприятия возложена обязанность охраны и защиты арендованных лесных массивов, а также лесовосстановления.
Экскаваторные лесозаготовительные машины могут также успешно применяться для проведения лесовосстановительных работ, например в качестве комбинированных машин для одновременной подготовки почвы и посева семян либо посадки саженцев деревьев. Манипулируя стрелой, оператор может высаживать в час в радиусе 6-10 м более 500 саженцев с закрытой корневой системой.
Сотрудниками лесоинженерного факультета СПбГЛТУ в ходе выполнения НИР «Разработка теоретических основ сквозных технологических процессов и модульных систем машин лесозаготовительного производства» в рамках научной школы «Инновационные разработки в области лесозаготовительной промышленности и лесного хозяйства» разработана новая конструкция экскаваторной лесозаготовительной машины (рис. 5), защищенная патентом на полезную модель.
Базовая машина СРТМ (1) может быть оснащена гусеничным или колесным движителем, манипулятором (2) с возможностями поворота в горизонтальной плоскости и изменения вылета стрелы для обработки нескольких деревьев с одной стоянки машины (по типу экскаваторных ВПМ). На рукоятке устанавливается захватно-срезающе-рубительная головка (ЗСРГ) (3), которую оператор, управляющий машиной, наводит на дерево (8). Дерево срезается дисковым срезающе-рубительным устройством (5), устойчивость дерева в вертикальном положении обеспечивается зажимами-вальцами (4); приводные вальцы, установленные на зажимах, а также на стойке ЗСРГ, обеспечивают подачу ствола к срезающе-рубительному устройству. Щепа за счет центробежной скорости, создаваемой вращающимся срезающе-рубительным диском, и воздушного потока, образующегося в процессе вращения, подается по щепоотводу (6) в бункер (7). После того как прицепной бункер заполняется щепой, его доставляют до лесовозной дороги, по которой транспортный тягач привозит бункер к месту использования щепы. Если же СРТМ снабжена бункером для щепы, после его заполнения щепа должна перегружаться в транспортную машину, находящуюся у лесовозной дороги.
В предлагаемой конструкции СРТМ предполагается установить рубительный диск горизонтально и прикрепить к его боковой поверхности сменные резцы для перерезания стволов деревьев. В результате процессы перерезания ствола дерева и измельчения в щепу будут происходить раздельно-последовательно, что позволит обойтись без повала дерева после срезания и выполнять измельчение в вертикальном положении. Благодаря этому появляется возможность существенно сократить число повреждений оставляемых на корню деревьев и подроста при проведении выборочной рубки для удаления низкотоварной древесины. Кроме того, при проведении рубки в теплый период года использование предлагаемой конструкции СРТМ позволит уменьшить загрязнение получаемой щепы минеральными примесями за счет отсутствия контакта дерева с почвогрунтом лесосеки.
Часовую производительность СРТМ (Пч) , можно рассчитать по формуле:
где Vg - объем среднего измельчаемого в щепу дерева, м3; Тц - продолжительность цикла, затрачиваемого на обработку одного дерева, с.
Продолжительность цикла можно определить по формуле:
где t1 - время перемещения СРТМ, отнесенное к одному дереву, с; t2 - время на наведение СРГ, отнесенное к одному дереву, с; t3 - время срезания и измельчения одного дерева, с.
Так как СРТМ может измельчать в щепу несколько деревьев, находящихся на площади обработки манипулятора полноповоротной машины, находящейся в неподвижном положении, то время t1 можно найти по формуле:
где tдвиж - время, затрачиваемое на передвижение машины, включая время на подачу необходимых команд, с; n1 - количество обрабатываемых деревьев, шт.
Время на наведение СРГ, отнесенное к одному дереву, можно найти по формуле:
где tман - время, затрачиваемое на перемещение манипулятора при наведении на деревья, с.
Время срезания и измельчения можно найти по формуле:
где Fпил - площадь пропила-срезания одного дерева, м2; - производительность чистого пиления, м2/с; - длина измельчаемого дерева, м; Vпод - скорость подачи-опускания дерева на рубительный диск, м/с.
Щепа, получаемая из измельчаемых деревьев, содержит, кроме древесины, кору и все составляющие кроны и может накапливаться в самосвальном или прицепном бункере.
В некоторых случаях щепа может использоваться для укрепления транспортных путей, при расчистке просек под линейные объекты (ЛЭП, трубопроводы и т. д.). В этих случаях бункер для щепы не нужен.
Масса срезающе-рубительной головки машины может составлять 2-4 т в зависимости от назначения машины. Для уменьшения массы СРТМ можно разместить противовес (12), в состав которого входят узлы и детали машины (двигатель, гидронасосы, топливный бак и бак для гидромасла, гидрораспределители, комплекты ЗИП и ключей и т. д.) на основании (10), которое может смещаться относительно оси поворота платформы (9) с помощью гидроцилиндра (11), штоковая часть которого крепится к поворотной платформе (9), а поршневая часть - к основанию (10) (рис. 6 и 7).
При использовании гидроцилиндра для автоматизированной регулировки устойчивости машины необходима система управления гидрораспределителями гидроцилиндра, которая включает в себя тензодатчики, воспринимающие нагрузки от изменения опрокидывающего момента и управляющие перемещением противовеса, или датчики изменения давления в гидросистеме подъема стрелы, управляющие перемещением штока гидроцилиндра, также воспринимающим нагрузки от действия массы стрелы с захватно-срезающим устройством и массы перемещаемого дерева, что позволяет уравновешивать опрокидывающий и удерживающий моменты (рис. 6 и 7).
Предлагаемое устройство автоматизированной регулировки устойчивости ВПМ требует разработки системы управления работой гидроцилиндра, смещающего противовес, расчетов масс противовеса с одной стороны, ЗСУ, стрелы и деревьев - с другой для различных типов ВПМ, расчета конструктивных элементов ВПМ: поворотной платформы, гидроцилиндра перемещения, основания, узлов крепления. Предварительные расчеты показывают, что при массе противовеса 3 т его смещение на 1 м от оси поворота создает удерживающий момент 3 т•м, смещение на 2 м - момент 6 т•м, что позволяет снизить массу машины не менее чем на 30%.
В результате экскаваторные лесозаготовительные машины могут использоваться на работах по созданию посадок лесных культур, на рубках ухода, выборочных и сплошных рубках.
Игорь ГРИГОРЬЕВ, д-р. техн. наук, проф.,
зав. каф. технологии лесозаготовительных производств СПбГЛТУ,
Иван ТИХОНОВ, канд. техн. наук,
доцент каф. технологии лесозаготовительных производств СПбГЛТУ,
Татьяна ЯКУШЕВА, канд. техн. наук,
доцент каф. промышленного транспорта СПбГЛТУ,
Ольга ГРИГОРЬЕВА, канд. с.-х. наук,
доц. каф. лесоводства СПбГЛТУ
