Форвардеры на лесозаготовках. Часть 3

Повышение эффективности: разработки российских ученых

Повышение эффективности форвардера на лесосеке обеспечивается в следующих основных направлениях:

• совершенствование конструкции;
• совершенствование технологии работы форвардера;
• обоснование параметров и режима работы в заданных производственных и природных условиях.

В плане конструкции заслуживает внимания способ установки гидроманипулятора (рис. 1), предложенный профессором К. П. Рукомойниковым (Поволжский ГТУ) в 2007 году и защищенный патентом №2309577.

Этот вариант предусматривает прокладку транспортного пути в виде двух швеллеров вдоль грузовой платформы машины. Манипулятор устанавливается на каркасе (основании), расположенном между швеллерами, и двигается вдоль грузовой платформы. Перемещение каркаса осуществляется с использованием двух гидромоторов, приводящих в движение ходовые колеса.

Такой способ установки гидроманипулятора обеспечивает следующие преимущества работы форвардера:

• исключается разворот лесоматериала в горизонтальной плоскости при перемещении с пасеки, а значит и повреждение подроста вокруг;
• повышается доступность лесоматериалов при выборочных постепенных рубках и рубках ухода (устраняются преграды в виде растущих деревьев при сборе сортиментов с полупасеки);
• расширяется зона, обрабатываемая манипулятором с одной рабочей позиции, и значительно уменьшается число рабочих позиций машины при разработке лесосеки, а следовательно сокращаются потери времени на трогание с места и остановки машины при переводе оборудования из транспортного положения в рабочее и обратно.

Другое перспективное решение разработано профессорами Я. И. Шестаковым и Ю. А. Ширниным и представляет собой усовершенствованную конструкцию форвардера модульного типа для двухэтапной комбинированной трелевки древесины, при которой на первом этапе осуществляется подтрелевка деревьев или хлыстов с полупасек к волоку, а на втором – транспортировка сортиментов с волока до верхнего лесного склада.

Предлагаемая машина (рис. 2) состоит из самоходного шасси (1), на котором смонтировано технологическое оборудование, включающее лебедку (2), стрелу (3) и устройство (4) для удержания транспортируемой пачки. Стрела снабжена приводами (5 и 6) для изменения вылета и установлена на поворотной колонне (7), которая смонтирована в трубе (8). Поворотная колонна оснащена механизмом поворота (9) вокруг вертикальной оси (10), например, гидроцилиндрами со штоками-рейками, контактирующими с зубчатым венцом, жестко соединенным с колонной. При этом гидроцилиндры установлены на трубе. На свободном конце стрелы установлен захват (11) с приводами (не показаны) и отклоняющим блоком (12) для грузового каната (13), который одним концом закреплен на барабане лебедки. Труба жестко закреплена на самоходном шасси. Привод лебедки возможен от гидромотора (14) через редуктор (15). Лебедка тоже установлена на самоходном шасси посредством рычагов (16), одни концы которых шарнирно закреплены на жестко установленных на самоходном шасси в кронштейнах (17), а другие – шарнирно связаны с осью (18) лебедки. Поворот рычагов осуществляется за счет привода, состоящего из гидроцилиндров (19), корпусами шарнирно закрепленных на самоходном шасси, и шарнирно связанными штоками с качалками (20), одними концами шарнирно установленными на рычагах (16), а другими концами шарнирно соединенными с тягами (21). Лебедка снабжена жестко связанной с ее корпусом опорой (22).

Лесозаготовительная машина заезжает на лесосеку с поваленными деревьями (хлыстами) или небольшими пачками, приготовленными валочно-пакетирующей машиной, оператор, управляя гидроцилиндрами 5, 6 и 9, стрелой наводит захват с отклоняющим блоком, через который пропущен грузовой канат, который оттаскивается так до поваленных деревьев, на ствол одного из оставленных деревьев-семенников (23) и закрепляет его захват. Далее оператор включает гидроцилиндры и лебедку устанавливает на землю до упора опоры, оставляя гидроцилиндры в «запертом» положении.

Затем поваленные деревья (24) или небольшие пачки (25) чокеруются, оператор включает гидромотор лебедки на наматывание грузонесущего троса, и зачокерованные деревья формируют пачку. Эту пачку или зацепленную пачку, подготовленную валочно-пакетирующей машиной, он трелюет к дереву-семеннику, где отцепляет и оставляет. Далее цикл повторяется до тех пор, пока все деревья или небольшие пачки в секторе за деревом-семенником не будут подтрелеваны на длину грузонесущего каната.

После обработки площади слева и справа от трассы тягового каната технологическое оборудование приводится в транспортное положение, а машина переезжает на другую рабочую позицию, и технологический процесс подтрелевки повторяется.

В это время на первой рабочей позиции осуществляется обрезка сучьев и раскряжевка хлыстов.

Перед переездом машины на другую рабочую позицию оператор, управляя приводами 5, 6, 9 и 19, укладывает на самоходное шасси захват с отклоняющим блоком и устанавливает лебедку. В дальнейшем подтрелеванные лесоматериалы разделываются на сортименты и грузятся захватом и стрелой в устройство 4.

Использование усовершенствованной конструкции форвардера модульного типа для двухэтапной комбинированной трелевки древесины дает возможность значительно увеличить ширину разрабатываемых пасек, а значит снизить затраты на обустройство пасечных волоков; осваивать летом большие площади заболоченных лесосек; обеспечивать проведение рубок ухода за лесом с соблюдением всех лесоводственных требований.

Технические решения, предлагаемые в работах доцента Е. М. Онучина (Поволжский ГТУ), связаны с обоснованием конструкции прицепа для двухзвенных погрузочно-транспортных машин.

На шасси прицепа (рис. 3) к раме (1) крепится портальный мост (2) с смонтированными внутри дифференциалом (3) и коническими передачами привода вращения колес (4), которые для уменьшения давления на грунт и облегчения поворота могут быть спаренными. Привод вращения колес может быть, например, от гидромотора. На кронштейнах портального моста шарнирно устанавливаются поворотные цапфы (5) колес. Привод поворотных цапф осуществляется от гидромотора (6) червячной передачей (7).

Возможно одно-, двух- и многоосное исполнение шасси предложенной конструкции для прицепа лесной машины для малообъемных лесосечно-лесовосстановительных технологий.

Колеса прицепа полноповоротные, поэтому применение широкопрофильных шин нежелательно ввиду значительного увеличения плеча обегания колеса и, как следствие, необходимых для его поворота усилий. В то же время применение узкопрофильных шин ведет к существенному повышению удельного давления на грунт. Для устранения этих недостатков было предложено использовать спаренные полноповоротные колеса (рис. 4).

Особенностью конструкции и привода вращения спаренных колес прицепа является двойная поворотная цапфа (3), верхняя и нижняя части которой скреплены с помощью фланцевого соединения.

В нижней части поворотной цапфы на одном валу-шестерне (2) смонтированы малая (5) и большая (7) конические шестерни, находящиеся в зацеплении с коническими зубчатыми колесами (6 и 8), обеспечивающими через валы (9) подвод крутящего момента к колесам (10).

Предложенная конструкция шасси прицепа обеспечивает независимый и неограниченный поворот колес вокруг шарниров поворотных цапф, повышающий маневренность прицепной подъемно-транспортной машины при разных режимах движения (рис. 5), что позволяет использовать ее под пологом леса без предварительной прокладки пасечных волоков.

Повышению эффективности форвардера за счет совершенствования технологии работы на лесосеке посвящены разработки профессоров Ю. А. Ширнина и К. П. Рукомойникова. Одно решение связано с изменением схемы работы форвардера на лесосеке и защищено патентным свидетельством №2228023. Высокая маневренность форвардеров по сравнению с другими трелевочными средствами, позволяющая им осуществлять повороты и перемещаться с одной пасеки на другую при наборе пачки сортиментов. В связи с этим можно значительно сократить перемещения машины, если на пасеках, на определенном расстоянии от магистрального волока, кратном 1/2 длины ленты набора пачки, трелюемой в погруженном положении, предусмотреть места для разворота и переезда на смежную пасеку. Сбор пачки сортиментов осуществляется с двух смежных пасек при движении форвардера по пасечным волокам туда и обратно. Посредине пасеки прорубается пасечный волок (5) (рис. 6). Вальщик (6) валит деревья (7) под углом к оси пасечного волока. После валки деревьев на первой пасеке вальщик переходит на следующую, разработка которой начинается с прорубки волока. В это время на первой пасеке моторист бензопилы (8) осуществляет обрезку сучьев деревьев и раскряжевку хлыстов (9) на сортименты (10). Трелевка лесоматериалов на делянке, с соблюдением правил техники безопасности, начинается с ближайших к погрузочному пункту пасек. Форвардер (11), двигаясь по магистральному волоку, заезжает на четную от погрузочного пункта пасеку и, двигаясь по пасечному волоку, собирает пачку. Доехав до предусмотренного места разворота и набрав к этому времени половину расчетной пачки сортиментов, машина поворачивает в сторону погрузочного пункта, переезжает на смежную пасеку и, двигаясь в противоположном направлении, продолжает сбор пачки. Выехав на магистральный волок, машина, собрав полногрузную пачку, трелюет сортименты к погрузочному пункту (12) и укладывает их в штабель.

Места для разворота на пасеке могут быть не только вблизи магистрального волока, но и на всем протяжении пасечных волоков, через определенное расстояние, равное 1/2 длины ленты набора пачки (рис. 7).

При использовании такой схемы движения форвардера по пасечным волокам можно на 30% сократить перемещения машины и за счет этого повысить производительность форвардеров на 4–8%.

Второе технологическое решение (патентное свидетельство №2269251) по совершенствованию работы форвардера на лесосеке направлено на увеличение ширины пасеки и облегчение труда рабочих лесозаготовительной бригады при окучивании сортиментов. Для этого разработку лесосеки разделяют на шесть этапов (рис. 8).

На первом этапе каждая пасека разбивается на пять полос: волок, две примыкающие к волоку ленты и две удаленные от волока ленты. Разработка пасеки начинается с вырубки подлеска на волоке по 25 м и укладкой поперек волока. Затем на волоке валят деревья, обрезают сучья и раскряжевывают хлысты. После разработки волока на 25 м валят деревья на полупасеках. Направление валки на пасеке выбирают так, чтобы стволы ложились между оставляемыми деревьями, на примыкающих к волоку лентах – максимально приближая сучья к волоку, а на удаленных лентах так, чтобы вершинная часть оказалась в зоне действия манипулятора форвардера.

При работе на примыкающих к волоку лентах первой пасеки моторист бензопилы валит деревья, обрезает сучья и выполняет раскряжевку хлыстов. Ширину примыкающих к волоку лент рассчитывают таким образом, чтобы манипулятор мог захватить любой сортимент на ленте.

Сортименты, оказавшиеся после раскряжевки на волоке, смещаются на примыкающие к волоку ленты для обеспечения проезда форвардера.

На удаленных от волока лентах первой пасеки моторист бензопилы валит деревья, выполняет обрезку сучьев и разметку хлыстов на сортименты.

На втором этапе разработки лесосеки моторист бензопилы переходит на следующую пасеку, а на первой пасеке начинается трелевка сортиментов. Форвардер заезжает для набора пачки вглубь пасеки и, двигаясь к погрузочному пункту, собирает и укладывает сортименты на грузовую платформу. При этом возможна сортировка сортиментов. Форвардер собирает сортименты в зоне действия манипулятора и подтаскивает нераскряжеванные части хлыстов, оставшиеся после обработки деревьев, поваленных на удаленных от волока лентах. Подтаскивание осуществляется таким образом, чтобы при отделении от хлыста следующего сортимента нераскряжеванная часть находилась в зоне действия манипулятора форвардера, на достаточном для ее надежного захвата расстоянии.

На третьем этапе форвардер начинает обработку второй пасеки, а моторист бензопилы возвращается на первую пасеку и отделяет от оставшихся на первой пасеке нераскряжеванных частей хлыстов очередные сортименты.

На четвертом моторист бензопилы вновь переходит на вторую пасеку, а на первой идет сбор сортиментов и подтаскиваются нераскряжеванные части хлыстов. Операции на двух смежных пасеках (пятый и шестой этапы) повторяются до тех пор, пока не будут обработаны все хлысты и не стрелеваны на погрузочный пункт все заготовленные сортименты.

Описанный способ разработки лесосеки позволяет увеличить ширину пасеки до 35–50 м и устранить ограничения в работе форвардера. Кроме этого, уменьшается физическая нагрузка мотористов бензопил при окучивании сортиментов.

Третье направление повышения эффективности форвардера на лесосеке связано с обоснованием оптимальных параметров и режимов работы с целью выявления внутренних резервов. Для достоверного прогнозирования результата работы форвардера с учетом большого количества технико-технологических вариантов, индивидуальных особенностей операторов, широкого диапазона изменения условий производства и природной среды на каждой разрабатываемой лесосеке используется математический аппарат. В последнее время особую значимость приобретает комплексная оценка энергоемкости, экономического и лесоводственного результата, а также экологического ущерба лесной среде при работе машины. Исследованиями в этой области с помощью современных средств моделирования подъемно-транспортных процессов занимается целый ряд ученых: А. С. Алексеев, В. И. Алябьев, В. Н. Андреев, Г. Н. Анисимов, Д. Н. Афоничев, В. А. Барановский, И. М. Бартенев, И. Ф. Верхов, Ю. Ю. Герасимов, Э. Ф. Герц, И. В. Григорьев, А. Н. Заикин, И. К. Иевинь, А. И. Иевлев, С. Келломяки, В. Г. Кочегаров, В. К. Курьянов, В. Ф. Кушляев, П. М. Мазуркин, В. А. Макуев, В. З. Матюшкин, В. Н. Меньшиков, В. М. Муратшин, Р. М. Некрасов, Е. М. Онучин, В. С. Петровский, Ф. В. Пошарников, В. Б. Прохоров, А. К. Редькин, П. Б. Рябухин, С. И. Сушков, В. С. Сюнев, А. С. Федоренчик, Я. И. Шестаков, Ю. А. Ширнин, С. Б. Якимович.

Так, А. С. Алексеев и С. Келломяки предлагают оценивать эффективность функционирования технических средств на лесозаготовках по трем группам критериев: социальным, экологическим и экономическим.

Ю. Ю. Герасимов и В. С. Сюнев сформировали семь групп требований для оценки технологических процессов и технических средств. Это требования к лесозаготовительной технике, технологическим площадям, древостою, создаваемому при рубках, к сохранению биоразнообразия, экономической целесообразности предлагаемых технико-технологических решений на лесосечных работах и др.

П. Б. Рябухин, А. И. Иевлев, В. А. Федоринин, В. Т. Яковлев, И. А. Сидельников, И. Н. Троянов, В. А. Бондаренко обращают внимание на необходимость учета человеческого фактора при прогнозировании результата лесосечных работ.

Проблема повышения эффективности работы форвардера на основе комплексной оценки проектных решений с использованием современных средств и способов моделирования представляет большой научный и практический интерес, актуальна для оптимизации подъемно-транспортных процессов на стадии технологического проектирования. 

Текст:
Леонид Бухтояров, канд. техн. наук, доцент ВГЛТУ
Виталий Абрамов, канд. техн. наук, доцент ВГЛТУ
Алексей Просужих, ст. преп. УГТУ
Сергей Рудов, канд. техн. наук, ст. преп. ВАС
Игорь Григорьев, д-р техн. наук, профессор АГАТУ
Ольга Куницкая, д-р техн. наук, профессор АГАТУ