Универсальные машины для заготовки леса

• Заменяет три машины: валочно-пакетирующую, скиддер и процессор

• Почти в два раза дешевле комплекса харвестер-форвардер

• Оказывает меньшее давление на почвогрунт при трелевке и может использоваться для сплошных рубок спелых и перестойных лесов

Недостатки:

• Производительность на 70% ниже, чем у трехмашинного комплекса

• Повышенные требования к квалификации оператора

При формировании комплекса необходимо увязать между собой набор машин для последовательного выполнения всех технологических операций лесозаготовительного процесса. При этом должны быть согласованы количество операций, выполняемое каждой машиной, технические, технологические, эксплуатационные и энергетические показатели и параметры машин. То есть каждая предыдущая машина должна создавать оптимальные условия для работы всех последующих машин или всего комплекса машин, принимающих участие в производственном процессе лесосечных работ.

Во многих лесных регионах России в освоенных эксплуатационных лесах лесосечный фонд становится все более разрозненным. В результате предприятия вынуждены разрабатывать небольшие по площади, удаленные друг от друга лесосеки, что часто делает невыгодным использование высокопроизводительных машинных комплексов из-за больших временных и материальных затрат на их частые перебазировки с лесосеки на лесосеку. Для эффективного сервиса, снабжения запчастями и расходными материалами машины в комплексе должны быть одного производителя. Все эти сложности во многом снимаются при использовании для заготовки древесины одномашинного комплекса. Раньше для этого служила валочно-трелевочная машина (ВТМ), если последующая вывозка деревьев производилась при помощи самопогружающихся автолесовозов.

Зарубежными разработчиками была предложена концепция харвардеров (иногда их называют форвестерами или комбимашинами). В России она классифицируется как валочно-сучкорезно-раскряжевочно-трелевочная машина. Однако такой способ заготовки не получил широкого применения. Проблема харвардера, часто представляющего собой оснащенный харвестерной головкой форвардер (сортиментоподборщик), заключалась в том, что для привода харвестерной головки требуется значительно большая мощность (литраж гидросистемы), чем для грейферного захвата форвардера. В результате машина получается маломощная, рассчитанная на заготовку деревьев малых диаметров (до 25 см) и малопроизводительная. За рубежом их обычно применяют для рубок ухода, однако в России машинами рубки ухода практически не выполняются.

Один из видов харвардера – это харвестер, оснащенный тележкой для сортиментов. Такая машина будет хорошо выполнять валку, обрезку сучьев и раскряжевку, но будет слишком тяжелой и энергоемкой для трелевки. Это связано с тем, что харвестер имеет больший объем топливного бака по сравнению с форвардером. С точки зрения лесозаготовительного производства в условиях, например, Северо-Западного федерального округа, где сложные почвенно-грунтовые условия, такие машины имеют мало перспектив для широкого использования.

Производительность харвардера меньше, чем у классической пары машин, в сопоставимых условиях – примерно на 40–45%. Зато оператору харвардера обычно не надо подбирать сортименты с земли, поскольку раскряжевка идет прямо в грузовую тележку. К тому же такие машины нужны в том случае, когда высокая производительность не требуется, а нужны меньшие капиталовложения. В данном случае они снизятся примерно на 35–40% в сравнении с приобретением классического комплекса из харвестера и форвардера. С учетом того, что работа операторов как харвестера, так и форвардера имеет свою специфику, то от оператора харвардера требуется больше навыков и профессионального мастерства, от которых напрямую будет зависеть не только производительность, но и надежность машины. Производственный опыт, в том числе и использования одномашинных комплексов в России, показывает, что значительная доля поломок лесных машин связана с человеческим фактором.

Одна из компаний «большой тройки» – John Deere (США) – также разрабатывала такие универсальные машины. Опытный экземпляр харвардера был испытан, но не был запущен даже в мелкосерийное производство. Японская фирма Komatsu Forest (Valmet) предлагала в России харвардер Valmet 801 combi, однако большого успеха в продажах он не получил. Финский производитель Ponsse выпускает и продает в России харвардер PONSSE BUFFALO DUAL – это 14-тонная машина на базе форвардера PONSSE Buffalo. Ее можно быстро без больших усилий трансформировать в харвестер или форвардер. На сегодняшний день это единственная марка харвардера, предлагаемая производителями лесных машин в России.

Известны еще ряд единичных или мелкосерийных разработок, не нашедших широкого спроса у потребителя. Например, шведский инженер Кристер Леннартссон на выставке Elmia Wood в 2013 году представил первый харвардер The Beauty для рубок главного пользования, который имел ряд новых решений. В лесу машина валила деревья и обрезала сучья. Раскряжевка была перенесена на верхний склад. Харвардер мог выполнять также погрузочные операции (штабелевку, загрузку автолесовозов). Для этого харвестерная головка заменялась грейферным захватом. Замена производилась с помощью специальной системы, позволявшей оператору делать это за десять секунд из кабины. На первом технологическом этапе харвардер The Beauty работал как валочно-сучкорезно-трелевочная машина. Это позволяло снизить давление трелевочной системы на почвогрунт за счет трелевки в полупогруженном положении. Но при этом кроновая часть заготовленных деревьев оставалась на лесосеке, что затрудняло ее дальнейшую очистку, а также полезное использование порубочных остатков. То есть The Beauty нельзя назвать в полном смысле слова харвардером, поскольку он не производил сортименты у пня.

Использование валочно-трелевочной машины (ВТМ) имеет серьезное преимущество, так как у предприятия отпадает необходимость иметь специальную трелевочную технику, когда лесосечный фонд состоит из небольших разрозненных лесосек. В состав технологического оборудования таких машин входят: гидроманипулятор, на свободном конце которого установлено захватно-срезающее устройство (ЗСУ), и кониковый зажим (коник) для сбора и удержания собираемых деревьев. Благодаря наличию гидроманипулятора эти машины с одной технологической стоянки могут собирать несколько деревьев, что уменьшает время, затрачиваемое на переезды во время набора пачки.

При разработке лесосеки машина проходит по волоку (технологический коридор), проходу или образовавшейся вырубке в дальний от погрузочного пункта конец пасеки, разворачивается и, двигаясь вдоль границы леса, приступает к валке деревьев и сбору пачки. На стоянке поочередно срезаются все деревья, находящиеся в зоне действия манипулятора, и перемещаются им за комлевую часть в коник. При этом с помощью рычагов управления оператор подводит ЗСУ к дереву, производит его зажим и предварительное натяжение. Далее включается механизм срезания, и дерево отделяется от пня. Управляя гидроцилиндрами валки и наклона, оператор валит дерево в нужном направлении, не раскрывая зажимных рычагов захвата. При валке крупного дерева (диаметром 50 см и более) зажимные рычаги раскрываются и захватно-срезающее устройство отводится от дерева в процессе его падения.

После приземления вершины комлевая часть дерева снова зажимается. Управляя гидроцилиндрами манипулятора, оператор перемещает дерево к машине и укладывает комлевой частью в зажимной коник. Перед укладкой дерева рычаги коника должны быть раскрыты. Если в рабочей зоне действия манипулятора находятся еще деревья, то цикл повторяется. Перед движением машины деревья в конике надежно зажимаются.

Собрав пачку максимально возможного объема, ВТМ доставляет ее на погрузочный пункт. Для разгрузки пачки рычаги коника раскрываются, и машина движется вперед на 2–3 м. После разгрузки весь цикл работы повторяется. Использование ВТМ позволяет концентрировать большую часть кроны заготавливаемых деревьев на верхнем складе, что облегчает их дальнейшую утилизацию, но для получения сортиментов все равно необходимо использование дополнительной машины – процессора. Учеными Петрозаводского государственного университета (ПетрГУ) под руководством профессора Ильи Шегельмана разработана новая технология заготовки древесины («Способ выполнения лесосечных работ агрегатной машиной», патент №2426303).

Технология основывается на использовании валочно-трелевочно-процессорной машины (ВТПМ). Общая схема компоновки ВТПМ заключается в том, что на самоходное шасси устанавливается зажимной коник и манипулятор с харвестерной головкой. При помощи манипулятора и харвестерной головки осуществляется валка деревьев, погрузка их в коник, обрезка сучьев и раскряжевка на погрузочной площадке. Кроме этого, манипулятор с харвестерной головкой используется для сортировки и штабелевки готовых сортиментов. Зажимной коник позволяет удерживать пачку деревьев на машине. Таким образом, принципиальное отличие компоновки ВТПМ от ВТМ заключается в установке вместо захватно-срезающего устройства харвестерной головки.

Машины такой компоновки производятся сейчас за рубежом. В России их представляет компания «Сибтрак». Это модели NF160-4R; NF160-6R; NF210-4R; NF210-6R, оснащенные агрегатом Woody 50. Валочно-трелевочно-процессорная машина предназначена для срезания дерева, трелевки набранной пачки деревьев, обрезки сучьев и раскряжевки на сортименты. Работа такой машины имеет определенные сходства с работой ВТМ. Машина движется задним ходом вглубь лесосеки до очередного дерева, находящегося на пути следования. Остановив машину, оператор, управляя манипулятором и харвестерной головкой, валит дерево в просвет между растущими деревьями. Комлевая часть сваленного дерева смещается к продольной границе волока. За один рейс машина проходит расстояние, достаточное для набора пачки. Двигаясь к верхнему складу, машина на остановках срезает деревья, оставшиеся на трассе волока, и укладывает их комлями в зажимной коник. Одновременно подбирает деревья, сваленные при расчистке пути. Волок прорубается шириной 4–6 м.

При необходимости производить заготовку сортиментов на лесосеках с низкой несущей способностью грунтов, особенно в период избыточного увлажнения, для обеспечения проходимости проезжая часть укрепляется порубочными остатками – сучьями, вершинками хлыстов. Для укрепления проезжей части волоков может быть использована следующая технологическая схема: ВТПМ при разработке волока осуществляет обрезку сучьев, укладку получившихся отходов на проезжую часть волока.

Хлысты складываются в запас по бокам волока. После окончания разработки машина, двигаясь в обратном направлении, собирает хлысты в коник и транспортирует их на верхний склад, где осуществляет раскряжевку хлыстов, сортировку и штабелевку сортиментов.

Для укрепления лесовозных усов возможен следующий вариант: деревья трелюются машиной к трассе уса и укладываются комлями к усу. ВТПМ, двигаясь по трассе уса, протаскивает деревья, обрезает сучья, раскряжевывает, при этом сучья и вершины деревьев укладываются в покрытие уса, а сортименты укладываются с противоположной стороны дороги. Применение этой технологии обеспечивает снижение затрат на строительство временных дорог, особенно при дефиците гравийных материалов или значительных расстояний их подвозки.

ВТПМ осуществляет разработку ленты и трелевку деревьев на перевалочный пункт, где производит выработку сортиментов и их складирование в малоразмерные штабеля. С перевалочного пункта форвардер осуществляет транспортировку сортиментов на погрузочную площадку, где форвардер сортирует и штабелюет сортименты, после чего возвращается на промежуточный склад за новой порцией сортиментов. ВТПМ при необходимости может работать в режиме харвестера, выполняя на лесосеке валку деревьев, обрезку сучьев и раскряжевку на сортименты, работая в комплексе с форвардерами. В этом случае зажимной коник снимается, а технология работы сходна с технологией разработки лесосеки харвестером. Кроме того, ВТПМ может успешно работать как валочно-трелевочно-сучкорезная машина (ВТСМ), если на предприятии принят технологический процесс с отгрузкой или сброской хлыстов на воду. Это встречается на лесозаготовительных предприятиях Сибири и Дальнего Востока.

Формирование пачки деревьев и ее трелевка являются одними из самых трудоемких операций, выполняемых ВТПМ. Поэтому производительность такой машины в значительной степени зависит от величины рейсовой нагрузки, времени формирования пачки и скорости движения в грузовом и порожнем направлениях. Производительность трелевочных систем повышают двумя способами. Первый заключается в увеличении нагрузки на рейс. Однако такой подход достаточно ограничен, так как с увеличением объема трелюемой пачки увеличивается время на ее формирование. Также в некоторых случаях по разным причинам вообще невозможен сбор большого пакета древесины. Второй способ заключается в увеличении скорости движения машины. Для этого ВТПМ должна обладать высокой скоростью движения и маневренностью.

В настоящее время на трелевке используют гусеничное и колесное самоходные шасси. За рубежом наиболее широко распространены колесные шасси. Это связано с рядом преимуществ колесных систем. К ним относятся: высокая скорость передвижения, маневренность, меньшая металлоемкость, удобство обслуживания и управления. Учеными ПетрГУ были предложены возможные компоновки ВТПМ. Один из примеров компоновки ВТПМ на колесном шасси выполнен на базе валочно-трелевочной машины ТЛК6-02 ОАО «Онежский тракторный завод». Модель включает колесное самоходное шасси, харвестерную головку, манипулятор, зажимной коник. Модель на гусеничном шасси с той же комплектацией выполняется на базе валочно-трелевочной машины МЛ-107. По мнению разработчиков, анализ преимуществ и недостатков того или иного вида самоходных шасси, а также опыт их применения на лесозаготовках показал, что ВТПМ предпочтительнее создавать на базе колесного шасси с шарнирно сочлененной рамой, ввиду необходимости обеспечения высокой скорости и маневренности. Шасси должно иметь не менее трех осей. Должна быть предусмотрена возможность установки двускатных колес, гусениц, одевающихся поверх шин, а также шин разных типоразмеров.

Для ВТПМ необходим манипулятор с большим вылетом, который позволил бы заготавливать больше деревьев с одной стоянки, что обеспечит увеличение производительности. Однако для машины манипуляторного типа важно, чтобы манипулятор имел не только значительный вылет, но и давал возможность заготавливать деревья, находящиеся вблизи от нее. При наборе пачки от величины площади, обрабатываемой с одной стоянки, зависит время на наводку харвестерной головки ВТПМ, захват ею деревьев, погрузка деревьев, открытие и закрытие коников, движение машины холостым ходом на ленте и суммарное время переездов от дерева к дереву при наборе пачки.

Чем больше деревьев заготовляется с одной стоянки, тем меньше суммарное время на перевод машины с транспортного положения в рабочее, и наоборот, на зажим деревьев в конике. При увеличении вылета манипулятора сокращается время на переезды при наборе пачки ввиду разработки более широкой ленты. Однако затраты времени на наводку харвестерной головки и погрузку деревьев возрастают с увеличением длины манипулятора. Поэтому необходимо определить оптимальный вылет манипулятора, который бы обеспечил минимум затрат времени на эти операции.

Ученые ПетрГУ при помощи разработанной ими специальной программы (патент №2011614414) высчитали оптимальное значение максимального вылета манипулятора для некоторых регионов России. Результаты расчетов показали, что оптимальное значение величины максимального вылета манипулятора уменьшается с увеличением запаса леса на гектаре и возрастает с увеличением среднего объема хлыста. На оптимальную длину максимального вылета манипулятора также влияет скорость переездов машины между стоянками. С увеличением скорости значение вылета уменьшается. ВТПМ заменяет три машины классического лесозаготовительного комплекса, широко распространенного в Сибири и на Дальнем Востоке: валочно-пакетирующая машина, скиддер, процессор. Но в самом лучшем случае ее производительность будет, при прочих равных условиях, составлять около 30% от указанного трехмашинного комплекса. Так же, как и у харвардера, будут выше требования к квалификации и профессиональному мастерству оператора. Стоимость машины сопоставима с харвардером. Однако ее преимуществом является то, что она без проблем может работать на сплошных рубках спелых и перестойных насаждений. Давление на почвогрунт при трелевке такого же объема пачки, как у харвардера, у ВТПМ меньше, за счет полупогруженного положения пачки.