CC BY
40
Лесозаготовительное производство и лесное машиностроение
СИСТЕМА УНИФИЦИРОВАННЫХ ГУСЕНИЧНЫХ МАШИН НОВОГО ПОКОЛЕНИЯ ДЛЯ ЛЕСОСЕЧНЫХ РАБОТ
М.Ю. КЛИНОВ, директор Департамента лесной и легкой пром-сти Минпромторга России, канд. экон. наук,
В.А. КОНДРАТЮК, проф., ген. директор ФГУП «ГНЦЛПК», д-р экон. наук,
ИВ. ВОСКОБОЙНИКОВ, зам. ген. директора ФГУП «ГНЦ ЛПК» по науке, д-р техн. наук, В.М. КРЫЛОВ, гл. конструктор ФГУП «ГНЦЛПК»,
Д.В. КОНДРАТЮК, зам. гл. конструктора ФГУП «ГНЦ ЛПК», асп. МГУЛ
Масштабы и условия лесосырьевых территорий нашей страны предъявляют особые требования к машинам, выполняющим лесосечные работы, - заготовку, обработку и транспортировку деревьев, и определяют ситуацию на рынке этих машин. На рынке идет жесткая конкуренция отечественных производителей и импортеров лесозаготовительной техники.
За последнее время в России заметно увеличился парк зарубежных лесозаготовительных машин. Ввоз машин в Россию иностранного производства, в т.ч. бывших в употреблении, постоянно растет. В 2010 г. импортных машин было закуплено почти на 9 млрд руб., а отечественных - на 1,1 млрд руб. Такое положение ставит под угрозу технико-экономическую безопасность страны в лесной отрасли.
Для увеличения эффективности работы лесопромышленного комплекса необходимо освоение отечественного производства нового поколения лесных машин конкурентоспособного уровня, с улучшенными функциональными характеристиками, высокими показателями надежности и щадящими воздействиями на лесную среду.
Как известно, лесозаготовки в России, к сожалению, имеют сезонный характер. Сезонный характер лесозаготовок вытекает из уникальных природных условий нашей страны. В России лишь 7 % лесной территории позволяют осуществлять заготовку и вывозку древесины вне зависимости от природных условий. 57 % общей площади лесов составляют грунты III категории (глинистые почвы, супеси с глинистыми прослойками), которые имеют повышенную влажность в течение всего теплого периода года, и остальные пло-
щади - грунты IV категории (торфянисто-болотистые, перегнойно-глеевые почвы) особо неблагоприятные для лесоэксплуатации.
Анализ показывает, что применение в этих условиях машин на колесной базе неблагоприятно. Машины на колесной базе образуют колеи глубиной 60-80 см даже в конце осени с ее заморозками и снегом.
Сегодня, когда в эксплуатации находится значительное количество колесных машин, вопрос образования глубокой колеи становится особенно актуальным. Только форвардеры (а их пока 1140 шт.) за один год работы «нарезают» колеи более 100 000 га лесных площадей, которые подвергаются заболачиванию, на них практически исключается восстановление леса, и через 15-20 лет эти площади будут покрыты колеями глубиной в пределах 20 см.
На увлажненных лесосеках, в пересеченной местности, где проходимость и сила тяги колесных машин недостаточны (крутые склоны, глубокий снег, слабонесущий грунт - заболоченные и суглинистые почвы, многоярусный лес), целесообразно использование гусеничных машин. На обледенелых дорогах преимущества гусеничного движителя еще более значительны.
Для расширения возможности применения колесных машин (снижения удельного давления на грунт и улучшения проходимости) используют цепи и гусеничные ленты, надеваемые на шины колес, сдвоенные колеса, арочные шины. Однако и при этих технических мероприятиях на волоках неизбежно появление глубоких колей и ям, требующих дополнительных затрат на их укрепление нетоварной древесиной, порубочными остатками и др. вплоть до устройства лежневых до-
6
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 8/2012
Лесозаготовительное производство и лесное машиностроение
рог погрузчиками-укладчиками для тяжелых транспортных машин.
Анализ состояния уровня технологий лесозаготовки, в том числе и рубок ухода, показал, что все большее значение в оценке технических решений при организации лесозаготовок приобретают экологические последствия, степень сохранения биогеоценозов.
В настоящее время очень важно определить верный путь развития как техники, так и технологии лесосечных работ, который даст возможность для удовлетворения экологических требований при одновременном повышении производительности труда на основных и вспомогательных работах всего цикла производства.
Одним из наиболее значимых направлений реализации этой задачи является определение оптимальных технологий и систем машин для процессов лесозаготовки и обработки древесины. Следует выделить чрезвычайно большое разнообразие лесосечных машин, что свидетельствует о неудовлетворительном научном обеспечении создания заготовительной техники и эффективности ее применения.
Одним из приоритетных направлений на рассматриваемый период в области лесозаготовки являются создание и разработка прогрессивных технологий и систем машин для сплошных видов рубок леса и рубок ухода, выборочных санитарных и других.
В рамках этой сферы имеют место взаимосвязанные научные и производственные проблемы, над решением которых работает ФГУП «ГНЦ ЛПК».
Проведенное исследование на базе математического моделирования и применения современных численных методов позволило на стадии проектирования машин и их элементов достичь мирового уровня по главным показателям качества (техническим, экологическим, безопасности эксплуатации и обслуживания и др.), что обеспечивает их конкурентоспособность и эффективную эксплуатацию.
В соответствии с проведенным анализом технических решений и тенденций их развития установлено, что проблема лесопользования является одним из главных природообразующих факторов экологической системы, что требует
обеспечения при эксплуатации лесов их возобновления по составу и продуктивности нового поколения древостоев.
Проблема машинной заготовки древесины, прежде всего, ориентирована на взаимосвязь обрабатывающих операций рабочих органов лесозаготовительных машин с соответствующими переместительными действиями, направленными на соблюдение лесохозяйственных требований по сохранности подроста и уменьшения повреждаемости несущей поверхности грунтов.
Комплексное решение всего технологического процесса по машинизации заготовки древесины на лесосеке обеспечивается за счет:
- применения при разработке лесосек оптимального набора (комплекса) лесозаготовительных машин, комплектация которых увязана и согласована с основными требованиями технологического процесса по машинизации заготовки древесины;
- использования для машинизации лесозаготовительных работ машин, которые отвечают условиям оптимальности производства лесозаготовительных работ на лесосеках с сохранением подроста
Оценка функционирования работы машин выполнена с учетом объединения их в систему, оптимальную по численности и структуре как в реальных, так и средних условиях. Оптимальный набор машин в системе, предназначенный для выполнения лесозаготовительных работ, подобран с взаимосвязанными и согласующимися техническими и технологическими характеристиками, с учетом природных и производственных факторов (климатические, почвенно-грунтовая характеристика, технологические, производственные). Природно-производственные факторы существенно влияют на условия перемещения лесозаготовительных машин по лесосеке и выполнения ими операций, связанных с валкой деревьев, трелевкой, обрезкой сучьев, раскряжевкой хлыстов.
Нами предлагается новая система, состоящая из следующих машин: валочно-сучкорез-но-раскряжевочной, погрузочно-транспортной, бесчокерной трелевочной,валочно-трелевочной и лесного комбайна (рисунок). Положительная
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 8/2012
7
Лесозаготовительное производство и лесное машиностроение
Валочно-сучкорезно-раскряжевочная машина (харвестер) Погрузочно-транспортная машина (форвардер)
Бесчокерная трелевочная машина Валочно-трелевочная машина
Машина сбора лесосечных отходов Машина с оборудованием пожаротушения
Рисунок. Предлагаемая для разработки система лесозаготовительных машин
отличительная особенность этой системы заключается в том, что все машины создаются на одной базе - серийном трелевочном тракторе, что значительно улучшает эффективность их использования и сервисного технического обслуживания. База серийного трелевочного трактора усовершенствуется за счет применения широкой гусеничной ленты, подвески, удлиненной рамы, уширенной колеи, переднего расположения гидроманипулятора, применения электромеханической трансмиссии и системы управления.
При производстве лесосечных работ, помимо машин, входящих в систему, предлагается машина для сбора и транспортировки лесосечных отходов, выполняющая следующие функции: сбор и транспортировку кусковых отходов древесины (обломыши деревьев, обрезки высоких пней, потерянные или обломанные сортименты); уборку сухостоя, зависших и ветровальных деревьев; расчистку горельников; укрепление магистральных волоков; вспомогательные работы при строительстве лесовозных усов.
Кроме этого машина может собирать и транспортировать срезанные сучья и вершинки для подачи в рубильную машину на верхних и промежуточных складах древесины.
В случаях возникновения и угрозы распространения лесных пожаров с незначительной трудоемкостью машина сбора отходов, как и любая другая лесозаготовительная с передним расположением манипулятора, может быть переоборудована в пожарную машину.
Разработаны технологические схемы заготовки древесины на лесосеках с применением системы машин для различных эксплуатационных условий и сочетание отдельных машин: трелевки хлыстов за вершину, трелевки хлыстов за комли; в режиме валки, пакетирования, трелевки, обрезки сучьев, штабелевки хлыстов; заготовка древесины с сохранением подроста; погрузочно-транспортные работы прямолинейными ходами по лентам перпен-
дикулярно и параллельно усу, по кругу; схемы работы в режиме валка-трелевка.
Разработка параметров лесозаготовительных машин проводилась с помощью компьютерной программы и математической методики расчета на их устойчивость и проходимость.
При разработке теории функционирования систем машин и построения компьютерной модели новой базы применялось следующее программное обеспечение:
- SolidWorks - мощный аппарат для автоматизированного проектирования в трехмерном пространстве, позволяющий создавать твердотельные компьютерные модели различного назначения.
- Программа ANSYS, компьютерная система для проектирования и выполнения связанного междисциплинарного анализа методом конечных элементов МКЭ. Применяется для выполнения расчетов напряженно-деформированного состояния, запасов прочности и т.д.
- Конечно-элементная система MSC Nastran обеспечивает полный набор расчетов, включая расчет собственных частот и форм колебаний, анализ устойчивости, исследование установившихся и неустановившихся динамических процессов.
- Модуль UniversalMechanism Tracked Vehicle используется для автоматизации процесса создания моделей гусеничных машин и анализа их динамики c учетом проходимости по различным профилям пути.
В результате проведенной работы разработаны:
- Имитационная модель новой базы для системы машин с шестикатковой ходовой системой, уширенной колей гусеницы, передним расположением манипулятора и электромеханической трансмиссией.
- Включен в состав базового программного обеспечения алгоритм оценки влияния внешних условий движения на расчет нагру-
8
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 8/2012
