Вездеходы для лесного комплекса
Анализ параметров
Вездеходы активно используются на землях лесного фонда. Их задействуют для проведения различных лесохозяйственных мероприятий, в том числе противопожарного патрулирования и патрулирования по предотвращению браконьерства, для доставки крупных и небольших грузов, сбора пищевых и лекарственных растений и выполнения других задач.
При огромных масштабах лесного фонда России и плохо развитой сети лесных дорог необходимо передвигаться на дальние расстояния в условиях бездорожья. Для этого нужны машины повышенной проходимости.
В Российской Федерации на заготовках древесины используются тяжелые лесопромышленные тракторы на колесном или гусеничном ходу. При низкой несущей способности почвогрунтов современные колесные машины оснащаются специальными гусеницами, существенно повышающими проходимость.
Для проведения противопожарных мероприятий, например, прокладки минерализованных полос, также применяется тяжелая техника, в основном гусеничная. Тяжелые, высокопроходимые и грузоподъемные машины нужны для доставки людей и грузов при вахтовом методе лесозаготовительного производства, а также для лесосводки, разрубки линейных объектов, проведения работ, связанных с очисткой мест рубок.
Но в лесозаготовительном производстве, и особенно в лесном хозяйстве, есть много задач, для выполнения которых необходимо оперативно ездить по лесным угодьям на дальние расстояния без перевозки тяжелых грузов. К таким задачам относятся, например, сбор пищевой продукции леса, бортничество и пчеловодство, подсочка, осмотр лесосек в натуре, противопожарное и фитопатологическое патрулирование, проверка лесных культур в отдаленных местах, отвод лесосек, использование леса в научно-исследовательских целях и т. д.
В этих случаях использовать тяжелую технику нецелесообразно. Во-первых, тяжелые машины дорогие, во-вторых, они высокоэнергоемкие, расходы на их эксплуатацию существенно выше расходов на легкие машины, в-третьих, при передвижении по лесу тяжелые машины наносят большой вред почвам и живому напочвенному покрову, что отрицательно сказывается на лесовосстановлении, поэтому недопустимо, в частности, в ООПТ.
Основные требования к вездеходам для решения таких задач – это легкость, большой клиренс и широкие колеса с низким и сверхнизким давлением на почвогрунт.
Отдельную категорию профессиональных пользователей легких вездеходов в лесу составляют работники охотничьих хозяйств, занимающиеся подкормкой и учетом животных, пресечением браконьерства и т. п.
Строго говоря, именно колесные внедорожные машины начали называть вездеходами. На момент разработки они не были транспортно-технологическими. Первый вариант вездеходной машины был разработан в России. Инженер французского происхождения Адольф Кегресс с 1906 по 1916 год на базе знаменитого в те годы автомобиля «Руссобалт» создал машину, способную перемещаться по глубокому снегу, слабонесущему грунту и пр. Но она была предназначена только для перевозки пассажиров и их багажа. После 1917 года, уже во Франции, Адольф Кегресс разработал еще несколько вездеходных машин, которые были воплощены в металле машиностроительной компанией Citroën и прошли испытания в тяжелых условиях Северной Африки и Центральной Азии.
История машинизации освоения Антарктических просторов связана с очень большим колесным вездеходом «Антарктический снежный крейсер», который был создан под руководством Томаса Полтера в 30-х годах прошлого века. Эта машина, можно сказать, опередила свое время. В ней были воплощены революционные технические решения. Но учесть все сложности суровых условий эксплуатации команде конструкторов не удалось, поэтому этот «крейсер» так и остался в Антарктиде.
Некоторые авторы изученных нами публикаций приравнивают вездеходные колесные машины к джипам. Этот термин появился в нашей стране от английской аббревиатуры SUV и изначально обозначал легковые или полугрузовые внедорожники. Их конструктивные решения получили широкое распространение в США во Вторую мировую войну. И наши ветераны хорошо помнят американские высокопроходимые машины, поставляемые в те годы СССР по ленд-лизу. После окончания войны таких машин осталось довольно много, и их использовали как предприятия и организации, так и частные лица.
В дальнейшем аббревиатура SUV стала трактоваться как спортивный внедорожник (Sport Utility Vehicle), то есть транспортное средство, предназначенное для активного отдыха на природе. И к легким колесным вездеходам эта трактовка хорошо подходит. На них в России и за рубежом многие занимаются активным туризмом, путешествуют по бездорожью в пустынях, болотах и лесах и преодолевают небольшие водные преграды.
У колесных лесных машин есть преимущества перед гусеничными: меньшая масса и в связи с этим не столь высокая стоимость, а также низкий расход топлива и бóльшая эксплуатационная скорость.
Передвижение гусеничных машин, в том числе и вездеходов, по лесным дорогам или дорогам общего пользования крайне нежелательно, поскольку они портят дорожную «одежду». Кроме того, гусеничные ленты из пластика или резины, меньше разрушающие дорожную поверхность, довольно быстро изнашиваются.
Зато гусеничные вездеходы отличаются большей грузоподъемностью, что важно при проведении искусственного или смешанного лесовосстановления на удаленных вырубках и гарях, а также доставке средств пожаротушения.
Необходимая для преодоления водных преград плавучесть колесного вездехода обеспечивается движителем, а гусеничного – за счет герметичного кузова. При этом вес гусеничного вездехода увеличивается, как и его стоимость, зато основные агрегаты защищаются от агрессивного воздействия водной среды.
В оценке достоинств и недостатков вездехода для гражданских нужд, включая ведение лесного хозяйства, на первом плане оказывается экономичность. Если вездеходу нет необходимости преодолевать большие водные преграды или длинные болота, то отпадает необходимость в герметичном кузове, что значительно снижает изначальную стоимость машины. Топливная экономичность колесных вездеходов наряду с более низкой стоимостью, а также дешевыми запасными частями обеспечивает их преимущества.
Но если нужно по заболоченной местности доставить груз весом несколько тонн, например партии посадочного материала с закрытой корневой системой для компенсационного лесовосстановления и средств малой механизации для посадки, то альтернативы гусеничному вездеходу нет. Для увеличения площади опорной поверхности и соответствующего снижения давления на поверхность движения теоретически можно сделать длинную гусеницу, а набирать длинный колесный ряд нецелесообразно, да порой и невозможно. У колесного вездехода прочность трансмиссии рассчитывается исходя из приходящегося на колесо веса и динамического коэффициента. При преодолении крупных неровностей весь вес четырехколесного вездехода в определенный момент придется на два колеса, равно как при перевалке через препятствие шести- и восьмиколесных вездеходов. Длинная база колесного вездехода потребует более прочной и жесткой, то есть дорогой и массивной, рамы.
Поскольку вездеходы в лесном хозяйстве предназначены прежде всего для передвижения по трудным для перемещения площадям – переувлажненным, заболоченным, пересеченным местностям, которые обычно относятся к легкоранимым лесным экосистемам, – к ним также очень важны экологические требования. Например, при перемещении по тундровым лесам, лесам на мерзлотных почвогрунтах повреждение поверхности движения должно быть минимальным. Колесо сверхнизкого давления «проседает», превращаясь, по сути, в мини-гусеницу, и работает как гусеничный движитель, реализуя касательную силу тяги. При этом экологический ущерб от воздействия такого движителя на почвогрунт значительно уменьшается и практически сравнивается с ущербом от гусеницы, без срезов поверхности движения при резких поворотах. В зависимости от условий работы используют шины сверхнизкого давления с разными рисунками протектора (грунтозацепа).
Особый интерес в конструкции колесных вездеходов представляют колеса, шины низкого давления которых со стальными смещенными ободами. Конструкция протектора в виде лопастей позволяет вездеходу двигаться по открытой воде с большей скоростью. Хотя и для условий заболоченной и переувлажненной местности эта машина вполне подходит.
Шины низкого давления подразделяют на широкопрофильные, арочные, пневмокатки, тороидные.
Арочные шины устанавливаются на ведущие колеса, они предназначены для езды по бездорожью. Диски для таких колес оснащены боковой поддержкой, шины широкопрофильные. Внешне они напоминают бочонки и абсолютно не похожи на обычные колеса. Рабочее давление в них обычно 0,05–0,14 МПа.
Тороидные шины используются как в бескамерном, так и в камерном исполнении, у них усредненный профиль и они распространены больше других.
Широкопрофильные шины имеют овальный профиль. Они эксплуатируются с постоянным и переменным давлением. Конструкционно они могут быть оснащены одной или несколькими беговыми дорожками. Главное преимущество таких шин – уменьшенное сопротивление качению.
По данным сайта саморегулируемой организации «Ассоциация производителей колесных транспортных средств, самоходной техники и дорожно-строительного оборудования», а также ассоциации Арктиктранс, тонкостенные шины низкого давления, называемые также резино-кордными оболочками (РКО), успешно выпускаются в России.
Шины низкого давления имеют ряд преимуществ. Тонкостенная шина за счет эластичной беговой дорожки не создает колею, поскольку может плавно обтекать препятствия при движении, как бы принимая их внутрь. Буксование при наезде на препятствие и создание колеи характерно для стандартных многослойных шин, с жесткой беговой дорожкой и более высоким внутренним давлением.
Кроме того, резино-кордные оболочки могут эксплуатироваться при температуре от –60 до +50°C (от Арктики до Африки), не теряя свойств. Низкое внутреннее давление обуславливает слабое давление на опорную поверхность (ниже давления на почву, оказываемого человеком) и возможность транспортного средства передвигаться по слабонесущим почвам и грунтам (снегу, болоту, песку и др.).
Типы протекторов шин для колесных вездеходов выбираются в зависимости от местности, в которой эксплуатируются. Наиболее распространенными типами протекторов шин для колесных вездеходов являются протекторы повышенной проходимости AT (All Terrain) и для переувлажненных почв и грунтов MT (Mud Terrain). Шины с протекторами AT хорошо показывают себя на песке, но мало пригодны для болот и переувлажненных почвогрунтов. Существуют также универсальные протекторы Sand Blaster и Mud, используемые для сложных ландшафтов, где встречаются попеременно местности с переувлажненными и заболоченными почвогрунтами, пески и водные преграды. Такие протекторы хорошо держат сцепление с поверхностью даже на больших уклонах и при движении на высоких скоростях.
Однако с точки зрения безопасности движение с высокой скоростью противопоказано колесным вездеходам, особенно легким. Это связано с опрокидыванием таких машин при резких поворотах вследствие большого дорожного просвета, необходимого для высокой проходимости. Вездеход инерционно сопротивляется повороту, возникает боковая центростремительная сила, которая способна перевернуть машину.
Шины сверхнизкого давления, обычно сконструированы для эксплуатации при внутреннем давлении от 0,3 до 1,1 атм. Особенности строения протекторов при снижении давления в шине не приводят к увеличению пятна контакта и, как следствие, не уменьшают давление на почву. Но уменьшение давления ниже 0,3 атм приводит к нарушению геометрии шины, образованию складок на боковой поверхности, снижению несущей способности и резкому повышению износа. Шины сверхнизкого давления могут иметь самоочищающийся рисунок протектора, что увеличивает проходимость на суше и необходимую скорость при движении по воде.
В России выпускаются разные типовые шины сверхнизкого давления (рис. 1).
Для анализа параметров современных вездеходов отечественного производства были собраны данные об основных технических характеристиках предлагаемых на рынке России колесных (более 100) и гусеничных (97) моделей.
По разнообразию массо-габаритных и мощностных характеристик колесные вездеходные машины значительно превосходят гусеничные.
Легкие колесные вездеходы часто приспосабливают для выполнения различных работ в лесу, даже для подвозки небольших пачек сортиментов в полностью погруженном положении.
Использование легких колесных вездеходных машин для сбора недревесной (пищевой) продукции леса – это специфический и высокодоходный вид лесного бизнеса. К концу 2009 года почти 90% консервированных лесных грибов и ягод, продававшихся в России, были импортными. Сейчас в магазинах большой выбор отечественной лесной пищевой продукции: консервированных лесных грибов, ягод, березового сока. Для экспорта этой продукции ряд отечественных лесопромышленных предприятий даже начали процедуру добровольной лесной сертификации по системе FSC.
По статистике период оборота рубки главной древесной породы на той же площади параллельно можно заготовить грибы и ягоды, стоимость которых будет в 15 раз больше стоимости выращенной и заготовленной древесины.
Но специфика этого вида лесной продукции, концентрация которой на единице лесной площади крайне низкая, предусматривает исключительно ручной сбор, иногда с простейшими приспособлениями. Кроме того, это скоропортящаяся продукция. Для повышения эффективности сбора и облегчения труда сборщиков дикоросов профессор Николай Иванов обосновал параметры легкой вездеходной машины на пневматиках сверхнизкого давления с учетом сложности лесного бездорожья и необходимости маневрирования между деревьями в лесу (рис. 2). Разработанная ученым методология проектирования и расчета вездеходов позволяет выбрать параметры основных агрегатов машины, спроектировать движители в виде колес на пневматиках сверхнизкого давления, обосновать общую компоновку машины, разработать конструкцию и выполнить прочностной расчет рамы.
Легкие вездеходы предназначены для периодического сбора небольших партий свежезаготовленной сборщиками пищевой продукции леса и ее оперативной доставки к месту сбора транспортных партий или мобильным пунктам переработки.
Разработки Николая Иванова позволили получить конструктивную документацию для запуска мелкосерийного выпуска легких колесных вездеходов.
Принципиально компоновка вездеходного трицикла, конечно, не нова. История этой конструкции началась в середине прошлого века. Считается, что первый трехколесный вездеход был разработан в 1967 году Джоном Плессинджером (США) и назывался Sperry-Rand Tricart. Затем автор продал права на изобретение компании Sperry-Rand New Holland, которая начала серийное производство машин. Затем появились многочисленные мелкие американские производители трициклов, со временем уступившие эту нишу рынка крупным мотоциклетным компаниям, таким как Honda.
В 1969 году Honda представила свои первые трициклы под торговой маркой «All Terrain Cycle» (ATC), и это название распространили на все транспортные средства такого типа.
Возможность передвигаться по местности, недоступной для большинства транспортных средств, вскоре сделала трициклы популярными у охотников и туристов. Затем другие производители представили свои модели этих машин, пользующихся спросом.
Можно обоснованно предположить, что эти и другие, серийные, модели легких колесных вездеходов на пневматиках низкого и сверхнизкого давления будут востребованы с развитием такого нового в России вида лесного бизнеса, как лесное фермерство, предусматривающее одновременное получение на земельных участках и пищевой, и древесной продукции с определенным оборотом.
Еще один вариант использования легких колесных вездеходов на землях лесного фонда – это поиск заблудившихся спасателями и волонтерами. С помощью этих машин можно намного быстрее прочесывать местность, особенно когда временной фактор критичен.
На основании анализа конструкций серийно выпускаемых в Российской Федерации колесных вездеходных машин, а также особенностей их работы в условиях леса рекомендуется конструкция колесного вездехода на пневматиках сверхнизкого давления, позволяющая повысить эффективность использования такого вида транспортно-технологических машин на предприятиях и организациях лесного комплекса.
Колесный вездеход представляет собой шасси с возможностью установки различных технологических модулей.
При обосновании представленной конструкции колесной вездеходной машины главными критериями были простота, надежность, и дешевизна конструкции, вкупе с экологической совместимостью с лесной средой.
Лучше всего использовать основные узлы серийно выпускаемых отечественных автомобилей с последующими минимальными доработками. Узлы должны быть подобраны таким образом, чтобы их нагрузки соответствовали штатному применению, обеспечивая максимальную надежность, простоту технического обслуживания и ремонтопригодность. Правда, к серийному автомобильному двигателю колесному вездеходу потребуется радиатор со значительно большей охлаждающей поверхностью, поскольку скорость вездехода ниже и требуемый объем охлаждающего воздуха не образуется.
Основа конструкции перспективного колесного вездехода – шарнирно-сочлененая рама с одной вертикальной осью поворота. Рама должна опираться посредством рессор на два моста с блокировками межосевого дифференциала. Такая конструкция дает возможность использовать шины шириной 700 мм, не превышающие допустимые требования при эксплуатации машин на дорогах общего пользования. Одна ось складывания рамы обеспечивает устойчивость вездехода на воде и при пересечении рвов и канав. Безопасность на воде, льду и в болоте создается положительной плавучестью за счет водоизмещения шин.
Конструктивно легкий вездеход может быть трехколесным, представляющим в плане треугольник, а также четырех- или шестиколесным, представляющим в плане прямоугольник. Прямоугольные в плане вездеходы выполняются как с жесткой, так и с шарнирно-сочлененной рамой. Если поворот вездехода с жесткой прямоугольной рамой осуществляется за счет поворота передних управляемых колес, то поворот вездехода с ломающейся рамой – за счет складывания полурам.
Колесные вездеходные машины могут быть выполнены на базе одного шасси, или, как и большие гусеничные вездеходы, на базе двух соединенных шасси. Прицеп может быть использован для самых разных целей: перевозки персонала, временного проживания, обустройства мобильной мастерской, кухни-столовой, пожарной цистерны, буровой установки, перевозки различных грузов.
Кунг повышает мобильность колесного вездехода, поскольку в нем можно переночевать при многодневных работах, допустим, при большой площади искусственного лесовосстановления, тушении и окарауливании лесных пожаров и т. д.
Использование серийных деталей и узлов отечественных автомобилей, наряду с их штатными условиями эксплуатации позволяет основное внимание уделить проектированию надежной рамы вездехода.
Оптимальные технические параметры вездеходного шасси:
- Вес вездехода –1500 кг.
- Грузоподъемность в снаряженном состоянии – 800 кг.
- Нагрузка на колесо при полной загрузке – 575 кг.
- Максимальная скорость – 65 км/ч.
- Максимальная крейсерская скорость – 55 км/ч.
- Минимальная устойчивая скорость – 2,5 км/ч.
Варианты применения шасси:
- Грузопассажирский вездеход с кунгом на два спальных места и интегрированной буровой установкой.
- Пассажирский кунг на восемь человек.
- Базовое шасси с мини-краном грузоподъемностью 800 кг и съемными модулями.
- Экспедиционный кунг.
- Пожарный автомобиль с емкостью 500 л и местами для двух сотрудников лесоохраны для патрулирования и раннего тушения очагов пожаров.
- Машина для раннего внесения удобрений.
- Машина для санитарной обработки леса от вредителей.
- Шасси со съемными технологическими модулями.
Съемные модули: однопостовой сварочный аппарат (дизельгенератор 12 кВт, сварочный выпрямитель до 300А, провода); компрессор КВ 8/3; топливозаправщик на 800 л (при доставке полный бак снимается, пустой забирается); кузов с тентом; дизельная помпа мощностью 23 кВт 160 м3/ч для грязной воды, напор 32 м (откачка котлованов, траншей, отработанных ТСМ и т. д.); рубительная машина.
Такое техническое решение представляет собой оптимальный вариант «тяжелого» колесного вездехода на пневматиках сверхнизкого давления, который может быть использован в качестве транспортно-технологической машины для предприятий и организаций лесного комплекса.
Предлагаемое вездеходное шасси, безусловно, не подойдет для патрулирования лесов (например, в пожароопасный период или для предотвращения браконьерства), сбора малых партий пищевой продукции леса (при лесопродукционном производстве), поиске заблудившихся в лесу и т. д. Целесообразно использовать легкие колесные вездеходные машины на пневматиках низкого и сверхнизкого давления.
Предварительный анализ рынка гусеничных вездеходов в России показал, что одной из оптимальных моделей является вездеход-амфибия BV-206 «Восток» грузоподъемностью 2,5 т (даже до 3 т в специальной версии) при весе 4,5 т. В случае доставки бригады для оперативного тушения природного пожара или выполнения работ по лесоустройству вмещает до 17 человек. Крейсерская скорость этой машины достигает 55 км/ч, а максимальный преодолеваемый уклон 55°. Эксплуатируется в различных климатических условиях; рабочий температурный диапазон от +40 до –60°С. BV-206 «Восток» плавает с полной загрузкой. За счет низкого удельного давления на лесной почвогрунт минимально повреждает верхний растительный слой. Модульный принцип компоновки позволяет сделать из него любую транспортно-технологическую машину за счет универсальных решений на основе заднего модуля. На базе этого вездехода были собраны даже небольшие форвардеры (рис. 4).
Вездеход ГАЗ-34039 «Ирбис» выпускает Заволжский завод гусеничных тягачей. Машина оснащена двигателем мощностью 122 л. с., который установлен в салоне, что упрощает обслуживание, особенно зимой и в непогоду. У «Ирбиса» объемный монокузов и комфортабельный салон, высокая эргономичность рабочего места водителя. Грузоподъемность этого вездехода 2 т, кроме того, он может транспортировать прицеп массой до 2 т. Максимальная скорость 60 км/ч, преодолеваемые уклоны до 35°, скорость на плаву до 5 км/ч.
На основе анализа конструкций современных гусеничных вездеходов можно дать рекомендации по агрегатированию для создания специальных транспортно-технологических машин.
Необходимой транспортно-технологической машиной для обеспечения компенсационного лесовосстановления и проведения работ в лесах в труднодоступных районах может стать гусеничный вездеход, к примеру, машина российского производства ЧЕТРА ТМ-140. Возможно оснащение этого вездехода роторным рыхлителем (рис. 5), который стабильно работает в умеренном климате при температуре от +5 до +40°С. Расчетная производительность роторного рыхлителя 0,2–1,12 га/ч.
Также этот вездеход может быть оснащен гидроманипулятором (рис. 6), следовательно, есть все условия, чтобы агрегатировать его специальным устройством для посадки саженцев с ЗКС.
При борьбе с лесными пожарами в удаленной и труднодоступной местности использование гусеничных вездеходов для доставки сразу нескольких бригад огнеборцев и обеспечения технической помощи (рис. 7) значительно экономичнее, чем применение специальной авиации.
Гусеничный вездеход с автогидроподъемником (рис. 8) незаменим для сбора семенного материала с растущих деревьев и обрезки сучьев на растущих деревьях для выращивания древостоя повышенного качества.
При лесозаготовках для проживания работников, их бытового обслуживания, ремонта и обслуживания техники в лесу создаются вахтовые поселки на базе мобильных зданий разной конструкции. Доставка таких домов в удаленные и труднодоступные места также затруднена. И здесь гусеничные вездеходы могут помочь решить проблему. Вездеход ЧЕТРА ТМ-140 может оборудоваться как вахтовый дома (рис. 9) или ремонтная мастерская (рис. 10).
Отечественному машиностроению в настоящее время, да и в ближайшей перспективе сложно наладить выпуск конкурентоспособных тяжелых лесных машин. Но освоить производство профессионально обоснованных конструкций легких вездеходов на шинах низкого и сверхнизкого давления для лесного хозяйства и лесозаготовок вполне можно. Причем оно может стать конкурентной нишей для лесного комплекса не только России, но и зарубежных стран.
Вездеходы производят многие отечественные и зарубежные машиностроительные компании, и спрос на них устойчивый, постоянно растущий.
В числе крупных мировых компаний, выпускающих вездеходы, Polaris Industries Inc., Honda Motor Co, Yamaha Motor Co, BRP Inc., Arctic Cat Inc., Suzuki Motor Corporation, Kawasaki Heavy Industries, Kwang Yang Motor Co, Zhejiang CFMoto Power Co и др. По данным сайта – агрегатора актуальной бизнес-информации Report Linker, общий объем рынка продаж вездеходов в мире в 2018 году составил $4,2 млрд.
Прогноз дальнейшего роста рынка вездеходов дает авторитетный портал Global Market Insights: 3,5% с 2019 по 2025 год. Востребованы они будут в первую очередь для личного пользования в нерабочих целях и занятий спортом. Использование для работы лишь на третьем месте. К 2025 году по объемам рынка первое место займет Германия, затем Франция, на третьем месте Россия. В качестве других в будущем значимых для индустрии рынков стоит выделить Великобританию, Италию, Испанию, Швецию.
На российском рынке в настоящее время представлены в основном отечественные колесные вездеходы, которые выпускаются различными машиностроительными компаниями. Базовым шасси могут служить как отечественные, так и импортные разработки. По опросам пользователей из Республики Коми и Республики Карелия, а также Ленинградской области, отечественные вездеходы не уступают импортным по основным параметрам и показателям работы, включая комфорт и проходимость.
Текст:
Ольга Бурмистрова, д-р техн. наук, профессор, зав. кафедрой ТМЛиИ УГТУ
Елена Тетеревлева, ст. преподаватель кафедры ЭИАТП
Юлия Чемшикова, зав. лабораторией кафедры ТМЛиИГ УГТУ
Игорь Григорьев, д-р техн. наук, профессор
Ольга Куницкая, д-р техн. наук, доцент кафедры ТиОЛК ЯГСХА
