Перспективы импортозамещения систем машин для искусственного лесовосстановления
Современные Правила лесовосстановления Российской Федерации и федеральный закон №212 ФЗ от 19.07.2018, известный как закон о компенсационном лесовосстановлении, требуют от лесопользователей постоянного увеличения объемов искусственного лесовосстановления. В том числе с использованием сеянцев и саженцев с закрытой корневой системой.
Споры о целесообразности повсеместного искусственного лесовосстановления, особенно с использованием посадочного материала с закрытой корневой системой (ЗКС), ведутся до сих пор. Во многих субъектах Российской Федерации созданы и успешно функционируют питомники для выращивания именно такого посадочного материала. Но, к сожалению, отсутствуют отечественные лесопосадочные машины для работы с саженцами и сеянцами с ЗКС.
Отечественное лесное машиностроение уничтожено почти полностью, что создает сложности с лесовосстановлением. В результате приходится использовать или импортную технику, например шведской компании Bracke Forest AB, или сажать по старинке – под меч Колесова либо с помощью посадочной трубы, а это значительно снижает потенциал работы с посадочным материалом с ЗКС по машинизации и снижению трудоемкости. Современная ситуация и введенные против Российской Федерации санкции, в результате которых с российского рынка ушли многие ведущие компании – производители лесных машин, заставляет активно искать варианты возрождения отечественного лесного машиностроения, в том числе и для искусственного лесовосстановления.
В 2021 году две российские компании – ООО «Ресса» и ООО «ДиРоботикс» – совместно представили довольно перспективную концептуальную модель современной системы машин для искусственного лесовосстановления. Разработанный лесовосстановительный комплекс, состоящий из нескольких тракторов, предназначен для решения проблемы восстановления лесных массивов.
В результате увеличения объемов лесозаготовок, строительства масштабных линейных объектов и особенно катастрофических лесных пожаров последних лет в Сибирском и Дальневосточном федеральных округах образовался очень большой фронт для проведения лесовосстановительных работ. Представленную компаниями модель одобрили власти Иркутской области, а также подтвердило заинтересованность в покупке и готовность к сотрудничеству АУ «Лесхоз Иркутской области».
Специалисты «Ресса» и «ДиРоботикс» пошли по относительно простому пути воспроизведения современного, успешно работающего прототипа иностранного производства – машины Plantma-X, которую разработали и создали в Швеции в 2019 году и в течение 2020 года тестировали три крупные лесные компании.
Plantma-X представляет собой набор смонтированного на базе колесного форвардера технологического оборудования для подготовки почвы (почвенные фрезы по бокам машины) и посадки саженцев (сеянцев) с ЗКС (два манипулятора сзади машины). На форвардерной тележке для сортиментов смонтирована кабина для операторов посадочного оборудования и емкость для запаса посадочного материала.
Машина может за один проход обработать землю, уплотнить ее и посадить саженцы (в идеальных условиях больше 40 штук в минуту). Запас саженцев в зависимости от размеров и упаковки составляет 10–20 тыс. шт. Оператор в кабине управляет форвардером и отвечает за планирование движения машины по вырубке (гари), а также отвечает за управление скарификаторами (почвенными фрезами). Задняя тележка проходит по подготовленному почвогрунту и уплотняет его. Оператор в задней кабине (кабине для посадки) отвечает за подачу саженцев из запаса в специально разработанные «чашки», по которым саженец попадает в посадочную стойку. Он же отвечает за результаты посадки и может управлять стрелами. Фактический цикл посадки запускается системой управления, которая отслеживает расстояние от предыдущего саженца и запускает новый цикл посадки.
Plantma-X может работать в так называемом автоматическом режиме.
Четыре основных признака свидетельствуют, что саженцы посажены правильно:
1. Когда заданное расстояние между точками посадки достигнуто, система запускает внутренний контур, который активирует высеивающий рычаг, и рычаг с ускорением идет вниз.
2. Датчик на конце рычага срабатывает, когда наконечник касается земли, и в системе инициируется оценка условий посадки, чтобы определить, подходит ли почва, то есть не слишком ли влажная, нет ли камня, пня или ствола дерева, и т. п.
3. Если оценка положительная, система запускает цикл, который открывает посадочную насадку, позволяя саженцу упасть в ямку, сделанную закрытой насадкой. Высеивающий рычаг опускается вниз и вбок, чтобы уплотнить почву у корней саженца. После этого штанга поднимается в «стыковочное положение» для забора нового саженца из «чашек». Когда система инициирует новый цикл, готовый к посадке следующий саженец опускается внутрь кронштейна до кончика.
4. Если оценка отрицательная, высеивающий рычаг немедленно поднимается и начинает новый цикл. Расстояние до ближайших точек посадки пересчитывается, чтобы компенсировать «непроходимость», поэтому количество посаженных саженцев в ряду будет таким, как установлено в компьютере, даже если расстояние между саженцами изменится.
Plantma-X адаптирована к шведским условиям, ее почвенные фрезы справляются с большим количеством камней в земле. В основном машина высаживает ель или сосну, расстояние между растениями 1,6–2 метра.
Специалисты компании «Ресса» взяли как базовую машину алтайский вариант модернизированного, с улучшенными характеристиками 12-каткового усиленного трелевочного трактора ТТ-4м, а их коллеги из «ДиРоботикс» спроектировали и изготовили надстройку. С одной стороны, это традиционное техническое решение с точки зрения советской школы лесного машиностроения, с другой – в Сибири, на Дальнем Востоке и в Российской Федерации в целом сейчас доминируют лесные машины с колесным движителем.
При изготовлении автоматического комплекса использованы следующие компоненты и технические решения.
Навесная система. При изготовлении систем линейного управления и перемещения применяются линейные направляющие с комплексом кареток. Для движения элементов используются электронные системы привода и управления приводами Siemens или Amron. Система гидравлического управления пропорциональна системе цифрового управления Rexton, Danfoss или Bosch. Цифровое сопровождение, контроллеры, промышленный компьютер Siemens. Для исключения воздействия пыли и других неблагоприятных факторов применяется система внутреннего воздушного давления, которая позволит исключить попадание пыли в узлы точной механики и электроники.
Гусеничное шасси. При изготовлении использована принципиально новая трансмиссия, сохраняющая механическую трансмиссию, но с применением переключения за счет брустерных муфт, и исключающая разрыв потока мощности при изменении скорости. Для соблюдения высокой точности заданной системой скорости дополнительно выделена отдельная скорость, которая управляется системой «гидромотор – гидронасос» с датчиком обратной связи. Для изменения траектории предназначены брустерные пакеты дисков, работающие в масле. Для поддержания высокой точности траектории на каждую конечную передачу дополнительно установлен планетарный механизм для отворота или доворота системой «гидронасос – гидромотор» с датчиками обратной связи при необходимости.
Система управления – ручной поворот, управление траекторией автоматической цифровой системой по заданной траектории. Система изменения скорости – с помощью рычага. Управление точностью скорости – автоматическое, по заданным скоростным параметрам. Двигатель – рядный, дизельный, мощностью до 420 л. с. Кабина оператора движения и управления посадкой – ударопрочная, с дополнительной системой шумо- и звукоизоляции.
Дополнительная отделка пластиковыми декоративными панелями и дополнительная шумоизоляция позволили добиться высокого комфорта операторов при работе. Цифровая система управления трактором дала возможность отказаться от технического внепланового обслуживания в полном объеме, а системы программируемой подготовки работы комплекса сделали ненужными простой для прогрева и другие функциональные операции для входа в рабочие параметры. Этот функционал позволит исключить простои и повысить коэффициент использования рабочего времени. Все уплотняющие элементы шасси, ходовой, трансмиссии силиконовые или фторкаучуковые, поэтому исключен выход из строя узлов и агрегатов, раньше заявленного инструкцией планового ТО.
В итоге головной машиной системы для искусственного лесовосстановления в отечественном варианте становится гусеничный трактор ТГУ-6 мощностью до 200 л. с., оснащенный оборудованием лесопосадочного комбайна с системой хранения саженцев, системой автоматической подачи саженцев из хранилища в зону посадки, цистерной для хранения воды, бункером для хранения удобрений, системой учета, контроля, посадки установленными на монтажной площадке расположенной за кабиной оператора посадки саженцев.
Объем загрузки лесопосадочного комбайна (саженцы, удобрения, вода, топливо и другие необходимые для работы расходные материалы) рассчитан на полную рабочую смену.
С помощью установленного на тракторе оборудования предполагается принимать кассеты с саженцами возрастом до двух лет в полной загрузке, если саженцы старше, устанавливать их с пропуском через ячейку, также в автоматическом режиме подавать саженцы из хранилища в зону посадки и подавать необходимое количество воды с удобрениями.
Контейнер с лесопосадочным материалом вмещает 96 кассет на 81 саженец каждая (7776 саженцев). При полной загрузке контейнера комплекс автономно работает примерно 12 часов. Лесопосадочный комбайн обслуживают два человека: водитель-механик и оператор лесопосадочного манипулятора.
Помимо основной машины, в предложенную систему входят еще несколько машин.
1. Гусеничный трактор типа ТГУ-6 с двигателем мощностью до 400 л. с., оснащенный передним навесным устройством, предназначенным для установки бульдозерного оборудования, с оборудованием типа «мульчер» с шириной захвата до 2,8 м, гидромоторами мощностью до 280 кВт с режимом контроля рабочей высоты ротора, гидравлическим манипулятором с грейферным захватом максимальной грузоподъемностью 3,7 т, установленным на расположенной за кабиной оператора монтажной площадке, и управляемым гидравлическими цилиндрами задним навесным устройством с оборудованием типа пятизубцового корчевателя. Управление всеми устройствами осуществляется из кабины оператора.
Установленное на этом тракторе оборудование позволяет корчевать высокостоящие пни, мульчировать кустарники, средние деревья и поросль, осуществлять погрузку крупного мусора и выкорчеванных пней в транспорт для уборки с территории. Этот трактор является основным рабочим звеном, которое обеспечивает расчистку площади на вырубке (гари). 2. Гусеничный трактор типа ТГУ-6 с двигателем мощностью до 400 л. с., оснащенный передним навесным устройством, с установленным манипулятором, грузоподъемностью до 3,7 т с грейферным захватом с передним навесным оборудованием типа «толкатель», оборудованием типа «дробильная установка», установленным на расположенной за кабиной оператора монтажной площадке, с воронкой диаметром 1,5–2,2 метра.
Установленное на тракторе оборудование позволяет рубить все остатки в щепу и мусор в формат сыпучего материла (чтобы было легче его захоранивать либо перерабатывать), сдвигать в большие кучи в удобном для переработки месте, обеспечивать самостоятельную погрузку отходов в дробильную установку. При большом объеме крупных порубочных остатков и экономической целесообразности их переработки в продукцию (биотопливо) или полуфабрикаты наличие такой машины может быть оправданно. Но если переработка крупных древесных остатков нецелесообразна, такая машина представляется излишним и неэффективным решением с точки зрения обеспечения работоспособности всей системы машин.
3. Гусеничный трактор типа ТГУ-6 с двигателем мощностью 200 л. с., оснащенный передним навесным устройством с бульдозерным оборудованием с поворотным отвалом, самосвальным оборудованием с кузовом объемом до 20 м3 и грузоподъемностью до 16 т, опрокидывающимся назад, установленным на монтажной площадке, расположенной за кабиной оператора.
Установленное оборудование позволяет забирать крупные отходы с подготавливаемой площади для доставки на место переработки и работы дробильного комплекса. Поворотный отвал позволяет обеспечить необходимый подъезд для колесного транспортного средства, доставляющего саженцы, воду, удобрения.
4. Транспортная машина на базе внедорожного шасси типа «КамАЗ» или «Урал», оснащенного оборудованием для перевозки и перекачки воды в лесопосадочный комбайн, комплексной системой для перегрузки саженцев в лесопосадочный комбайн и перевозки от места выращивания до места высадки, а также топливной емкостью с насосом для заправки тракторов, работающих на уборке территории, переработке отходов, посадке саженцев.
По замыслу разработчиков все тракторы, работающие в комплексе, должны быть оснащены системой цифрового управления, всеми средствами связи ГЛОНАСС или GPS. На цифровом мониторе каждой машины выведена рабочая карта и отслеживается ее местоположение. Также через сотовую систему связи, а при отсутствии покрытия вышками сотовых операторов сигналами через спутник должна обеспечиваться передача информации между транспортными единицами и передача обработанных данных с каждой единицы на центральный пункт для мониторинга производимых работ.
Согласно презентации разработчиков, рассматриваемая система машин позволяет обеспечивать уборку территории в объеме вывозимого крупного мусора на дальнейшую переработку с плечом не более 5 км и объемом до 40 м3 – со средней производительностью 2 га/ч. Подготовку территории для посадки саженцев, измельчение кустарника, поросли – до 2 га/ч. Посадку саженцев со средней плотностью посадки 2 тыс. га – в среднем до 1 га/ч. Средняя скорость посадки до 1,5 км/ч. Количество рядов посадки одного прохода – два. Минимальное продольное расстояние между саженцами – 1 м, максимальное – без ограничений. Ширина междурядий: минимальная – 1 м, максимальная – 6 м. Средняя емкость саженцев в бункере лесопосадочного комбайна – до 15 тыс. шт. Средняя емкость бака с водой – 3000 л. Минеральные удобрения растворяются в необходимой концентрации на складе. Максимальный уклон при работе: поперечный – до 20°, продольный – до 25°. Контроль движения лесопосадочного комбайна полуавтоматический или автоматический, по заложенной траектории, с бесступенчатым регулированием скорости в рабочем диапазоне, обратной связью с использование структуры системы точного земледелия, при отклонении от заданной траектории 1 м на один километр.
Анализ представленного концепта системы машин для искусственного лесовосстановления позволил сделать следующие выводы. Во-первых, разработчики не учли необходимость создания вокруг искусственных посадок (лесных культур) минерализованной полосы, для чего придется оборудовать один из тракторов специальным плугом. Во-вторых, базовый вариант (на основе колесного форвардера) включает почвенные рыхлители (фрезы), которых в предлагаемом разработчиками варианте гусеничного лесопосадочного комбайна нет. Непонятно, каким образом предполагается проводить подготовку почвы: если оператор посадки будет выбирать места на неподготовленной вырубке (гари) дискретно, аналогично выбору на машине Bracke P11, то заявленная разработчиками производительность явно не будет достигнута. В-третьих, судя по описанию конструкции машин, в них предполагается использовать импортную электронику и другие составные части, производимые в странах, которые ввели против Российской Федерации санкции. Следовательно, возможность серийного производства таких машин под большим сомнением.
Кроме этого, разработчикам концепта следует серьезно задуматься о компактности системы машин. Например, рассмотреть возможность отказа от оборудования для дробления крупных древесных отходов на месте, ведь эту операцию вполне может взять на себя мульчерный агрегат трактора для корчевания и мульчирования, а щепа довольно быстро перегниет и удобрит почвенный слой. Также стоит сделать поверочный расчет энергоемкости процесса (полного комплекса работ) и анализ ее возможного снижения.
Текст:
Ольга Григорьева, канд. с.-х. наук, доцент СПбГЛТУ
Валентин Макуев, д-р техн. наук, профессор, Мытищинский филиал МГТУ им. Н. Э. Баумана
Ольга Бурмистрова, д-р техн. наук, профессор УГТУ
Игорь Григорьев, д-р техн. наук, профессор АГАТУ
