Новый механический кочкователь для обработки почвы на вырубках

В Петрозаводском государственном университете (ПетрГУ) разработана конструкция кочкователя МК-2 - новой лесохозяйственной машины для создания прерывистых микроповышений почвы. Технология создания лесных культур по прерывистым микроповышениям почвы широко применяется при проведении лесовосстановительных работ на нераскорчеванных вырубках и в условиях избыточного увлажнения почвы.

Современные машинизированные технологии заготовки леса существенно изменяют окружающую среду, что снижает возможности леса для естественного возобновления хозяйственно ценными породами деревьев. Особенно страдают от повреждения почвы площади с избыточным увлажнением, на которых требуется искусственное лесовосстановление. Перед посадкой или посевом леса на таких площадях необходимо создавать микроповышения в виде гряд, площадок или отдельных холмиков (кочек), в которых размещаются лесные культуры.

Для создания гряд под лесные культуры широко применялись разработанные в Ленинградском научно-исследовательском институте лесного хозяйства (ЛенНИИЛХ, ныне СПбНИИЛХ) мелиоративные канавокопатели плужного типа: ЛКН-600 и их аналоги.

Минусом работы канавокопателей типа ЛКН-600, ПКЛН-500А и других подобных агрегатов является необходимость корчевки пней на пути движения техники, а также неблагоприятные изменения площади, окружающей участок с лесными культурами, в результате ее избыточного осушения.

Для создания возвышенных площадок на избыточно увлажненных площадях и посадки сеянцев с закрытой корневой системой можно использовать промышленные экскаваторы на гусеничном ходу, оснащенные посадочными агрегатами типа Bracke P11.a (производства шведской фирмы Bracke Forest). Экскаваторы не требуют предварительной расчистки участка, а после окончания сезона посадки леса могут использоваться для строительства лесных дорог и других работ.

Общим недостатком экскаваторов является их низкая производительность по сравнению с плужными канавокопателями, поскольку в процессе работы необходимы частые остановки.

Для создания прерывистых микроповышений при непрерывном движении техники в ЛенНИИЛХе была разработана и доведена до серийного производства однорядная почвообрабатывающая машина ОРМ-1,5. Ее рабочим органом является четырехлопастной ротор, снабженный ленточным тормозом. При торможении ротора лопасть сгруживает почву в микроповышение, затем тормоз отключается, ротор поворачивается и в действие вступает следующая лопасть. За машиной остаются углубления в грунте и холмики почвы высотой до 0,25 м.

По задумке создателей ОРМ-1,5, тормоз должен был срабатывать под воздействием лопастей на почву. Испытания показали, что тормоз работает нестабильно, поэтому постоянный шаг между микроповышениями не выдерживается. Непостоянство характеристик почвы и наличие препятствий на лесных участках являются объективными причинами, по которым конструктивное решение ОРМ-1,5 не может обеспечить эффективную работу машины.

Шведской фирмой Bracke Forest разработаны и предлагаются к продаже двух- и трехрядные машины, рабочие органы которых подобны ротору ОРМ-1,5, - культиваторы дискретного микроповышения (моундеры) типа Bracke M25.a и Bracke M36.a.

Машина типа Bracke M26.a устанавливается на лесной трактор (или форвардер) с гидроманипулятором, в конструкцию входят: остов, два гидромотора, два лопастных колеса (ротора) и электронная система управления с центральным процессором. Управление гидравлическими тормозами роторов осуществляется с помощью специальной компьютерной программы, параметры которой задаются оператором вручную в зависимости от условий на лесокультурной площади. Контроль работы программы осуществляется с помощью фотоэлектрических датчиков.

Необходимо отметить, что в сравнении с ОРМ-1,5 конструкция этой машины значительно сложнее, а цена существенно выше при сходных функциональных возможностях.

Общим конструктивным недостатком машин типа Bracke M26.a является расположение датчиков системы торможения непосредственно на роторах, в области обработки почвы, где они подвергаются неблагоприятным воздействиям (загрязнению, увлажнению, механическим повреждениям и т. п.). Принципиальное устройство машины не позволяет установить упомянутые датчики в безопасном месте, что исключает возможность устранить этот недостаток машины.

Рис. 1. Общий вид кочкователя МК-2 (3D-модель)

С целью обеспечения лесного хозяйства недорогой и надежной отечественной техникой для механизации лесовосстановления в ПетрГУ была разработана конструкция новой, полностью механической двухрядной машины для создания прерывистых микроповышений.

В конструкции машины авторы постарались учесть недостатки моделей-предшественниц - машин типа ОРМ-1,5 и Bracke M26.a. На новую конструкцию получен патент на полезную модель РФ № 141061 от 06.08.2013 г. (авторы: Цыпук А. М., Чечков А. А., Соколов А. И.; заявитель и патентообладатель - ПетрГУ).

Перспективную разработку авторы назвали механическим кочкователем двухрядным - МК-2.

Конструкция кочкователя МК-2 включает: остов с центральным редуктором и самотормозящей червячной передачей, два бортовых одноступенчатых цилиндрических редуктора, навесное устройство и карданный вал для соединения с трактором, два лопастных колеса (ротора) и два лыжеобразных полоза (рис. 1).

Передаточное отношение редуктора выбрано таким образом, чтобы при постоянном вращении ротора концы лопастей описывали в пространстве математическую кривую, известную под названием трохоида (рис. 2).

Рис. 2. Кривая (трохоида) траектории поступательно-вращательного движения лопасти ротора кочкователя МК-2: А, В, С – крайние точки лопастей ротора; Аi – положения крайней точки лопасти ротора по траектории движения кочкователя; Оi – положения оси вращения ротора по траектории движения кочкователя; S – расстояние между микроповышениями почвы (шаг обработки), м; D – расстояние между углублениями в почве, м; H – высота микроповышений, м; N – глубина углублений в почве, м

На одном роторе три лопасти, что обеспечивает расстояние между микроповышениями около 1,2 м при стандартной частоте вращения вала отбора мощности трактора 540 об./мин.

При компоновке МК-2 за базовую машину был взят лункообразователь типа Л-2У (этот механизм также разработан в ПетрГУ), конструкция которого в ходе производственной эксплуатации показала надежность и приспособленность к условиям работы на каменистых нераскорчеванных вырубках.

В бортовые картеры базовой конструкции на место кулачковых механизмов устанавливаются одноступенчатые цилиндрические редукторы, обеспечивающие клиренс кочкователя МК-2, примерно равный дорожному просвету лесохозяйственного трактора. Это необходимо для того, чтобы оператор, пропуская препятствия (пни, камни и т. п.) под днищем трактора, был уверен, что следующий за его машиной кочкователь МК-2 тоже преодолеет эти препятствия без проблем. Бортовые редукторы кочкователя обеспечивают передаточное отношение, при котором достигается эффект необходимого притормаживания. На выходных валах бортовых редукторов устанавливаются рабочие органы машины: два ротора с тремя лопастями (см. рис. 1).

Кочкователь опирается на два лыжеобразных полоза, которые позволяют поддерживать его в плавающем положении гидронавесной системы трактора, копировать неровности микрорельефа, а также отодвигать в стороны от линии образования микроповышений порубочные остатки (сучья, вершины деревьев и пр.) с поверхности почвы вырубки.

Рис. 3. Схема обработки поверхности почвы кочкователем МК-2:
1 – посадка саженца на границу перехода углубления в микроповышение
при нормальной влажности почвы; 2 – посадка саженца в микроповышение
при избыточном увлажнении почвы; 3 – посадка саженца в углубление
при недостаточной влажности почвы; W – окружная скорость ротора
кочкователя, рад/с; V – поступательная скорость агрегата в составе
трактора и кочкователя, м/с

Кочкователь МК-2 работает следующим образом. При движении по вырубке трактора с навешенной на него машиной лопастные роторы вращаются с эффектом притормаживания, врезаясь рабочими лопастями в почву, за счет силы тяги трактора происходит вырезание микроповышения с заглублением лопасти. Ротор заглубляется до тех пор, пока не преодолеет нижнюю крайнюю точку, далее происходит подъем лопасти ротора. Одновременно поднимается и переворачивается пласт почвы, который ложится на край углубления по ходу движения и далее прижимается лопастью ротора (рис. 3).

На этом цикл формирования микроповышения заканчивается, затем в почву врезается следующая лопасть и процесс создания микроповышений с заданным шагом повторяется.

Для увеличения расстояния между микроповышениями оператор должен переключить коробку переключения передач трактора на высокую передачу и наоборот: для уменьшения расстояния - перейти на более низкую передачу. Изменение шага происходит за счет изменения скорости трактора при постоянной угловой скорости хвостовика заднего вала отбора мощности, а следовательно, при постоянной скорости вращения ротора.

После создания микроповышений и углублений в обработанную почву, в зависимости от ее увлажнения, высаживаются саженцы: в углубление - при недостаточной влажности почвы, в микроповышение - при избыточном увлажнении почвы, на границу перехода углубления в микроповышение - при нормальной влажности почвы (см. рис. 3).

К базовым технологическим параметрам нового кочкователя МК-2 относятся:

скорость движения роторов кочкователя, при которой достигается оптимальное расстояние между микроповышениями: 0,8-1,2 м; она определяется в зависимости от скорости поступательного движения трактора, с которым агрегатируется кочкователь;

• параметры микроповышений и углублений (высота, глубина и длина), образуемых роторами кочкователя; эти параметры задаются размерами частей роторов, взаимодействующих с почвой;
• передаточное отношение между валом отбора мощности трактора и роторами кочкователя; она определяется кинематическим расчетом.

Передаточное отношение между валом отбора мощности трактора и роторами кочкователя МК-2 подбирается таким образом, чтобы окружная скорость роторов при вращении была меньше поступательной скорости трактора, вследствие чего достигается эффект притормаживания роторов для образования микроповышений.

Для защиты конструкции от перегрузок при встрече с крупными препятствиями на вырубке (пни, валуны) используется стандартная предохранительная муфта, ограничивающая крутящий момент на карданном валу и соединяющая редуктор кочкователя с валом отбора мощности трактора.

Заметим, что вероятность встречи роторов с препятствиями невелика, так как роторы установлены по колее движителя трактора, а оператор выбирает трассу движения таким образом, чтобы не наезжать на пни.

Главными достоинствами кочкователя МК-2 являются постоянство его работы независимо от почвенных условий и простая регулировка шага подготовки микроповышений за счет переключения передач трактора.

Будущих потребителей новой машины также наверняка привлечет цена МК-2, которая должна быть значительно ниже цены импортных аналогов Bracke M26.a, а также возможность агрегатирования машины с отечественными тракторами.

Словом, кочкователь МК-2 по технологическим возможностям не уступает современным образцам лесохозяйственных машин и может эффективно решить задачу обеспечения отечественного лесного хозяйства недорогой и надежной техникой для механизации лесовосстановления.

В настоящее время в ПетрГУ разработан комплект конструкторской документации, позволяющий изготовить опытный образец кочкователя МК-2 для проведения испытаний в полевых условиях, но вот производство перспективной отечественной разработки пока под вопросом. Что тому причиной? Сложившаяся в настоящее время система финансирования лесного хозяйства вообще и лесохозяйственного машиностроения в частности. МК-2 - полностью отечественная разработка, которая решает проблему импортозамещения в весьма важном аспекте лесовосстановления. К сожалению, разработчикам, если они не принадлежат к организациям системы Рослесхоза, рассчитывать на государственное финансирование не приходится.

Авторы надеются, что информация о новой перспективной разработке заинтересует отечественных лесопользователей, которые смогут финансировать изготовление и испытания опытного образца МК-2 и возродить былую славу Республики Карелия как флагмана в разработке и производстве новой отечественной техники для лесной промышленности и лесного хозяйства.

Александр ЦЫПУК,
д-р техн. наук, профессор кафедры технологии и организации лесного
комплекса Института лесных,
инженерных и строительных наук ПетрГУ
Андрей РОДИОНОВ,
канд. техн. наук, доцент кафедры
механизации сельскохозяйственного производства агротехнического
факультета ПетрГУ
Алексей ЧЕЧКОВ,
магистрант кафедры технологии
и организации лесного комплекса
Института лесных, инженерных
и строительных наук ПетрГУ