Адаптация тракторов для заготовки древесины

Универсальная лесохозяйственная машина должна иметь возможность выполнять как рабочие (обрабатывающие), так и транспортные технологические операции. Причем спектр рабочих операций вкупе с большим разнообразием природно-производственных условий лесов России обширный. Транспортные операции надо выполнять в полностью погруженном положении, чему отвечает концепт машины типа форвардер.

Наиболее характерный и распространенный в настоящее время перечень лесохозяйственных работ включает:

– лесосечные работы (рубки ухода за лесом: осветления, прочистки, прореживания, проходные) с технологическими операциями: валка деревьев, обрезка сучьев, раскряжевка, пакетирование, трелевка, штабелевка, измельчение, погрузка;

– лесохозяйственные работы (лесовосстановление, защита от вредителей и пожаров) с технологическими операциями: нарезка борозд, посадка сеянцев, агротехнический уход, прокладка минерализованных полос;

– работы, связанные с тушением лесных пожаров, с технологическими операциями: забрасывание грунтом, заливка водой, задувание кромки огня, организация «встречного пала»;

– прочие работы (транспортные, дорожно-строительные) с технологическими операциями: дорожный транспортер (тракторный поезд), внедорожный транспортер, бульдозер, экскаватор, корчеватель.

Отдельной перспективной нишей для универсальной лесохозяйственной машины является создание и эксплуатация лесных плантаций, например энергетических. При этом перечень работ включает подготовку участка под плантацию, посадку, агротехнические уходы и сбор выращенной энергетической древесины. Для машинизации этих технологических операций могут быть применены как специализированные одно- или многооперационные машины, созданные в том числе на базе единого тракторного шасси, так и машинно-тракторные агрегаты.

На лесосечных работах традиционно преобладает подход, предполагающий использование специализированных технологических машин, наиболее популярным в настоящее время является комплекс харвестер–форвардер. Для механизации лесохозяйственных работ чаще используются машинно-тракторные агрегаты, формируемые путем присоединения к базовому трактору навесных, полунавесных и прицепных технологических машин и орудий. Если предполагается использование существующих технологических машин и орудий для лесного хозяйства, то наряду с качеством базового трактора доступный уровень технического совершенства и качество технологических машин и орудий будут оказывать существенное влияние на эффективность машинно-тракторных агрегатов. Это обстоятельство накладывает дополнительные требования к характеристикам базового трактора, которые должны максимально соответствовать возможностям технологических машин.

В идеале должна разрабатываться и внедряться система лесохозяйственных машин в целом, включающая базовый тяговоэнергетический модуль (или модули) и агрегатируемые с ним технологические модули и реализующие полную машинизацию комплекса наилучших доступных технологий, обеспечивающих, в свою очередь, наиболее эффективное и продуктивное ведение лесного хозяйства.

Заметной тенденцией, которая должна быть принята во внимание при разработке базового трактора для лесного хозяйства, является замещение пассивных орудий на технологические машины с активными рабочими органами. Это позволяет использовать значительные дополнительные резервы повышения эффективности машинно-тракторных агрегатов.

Кроме этого, с учетом специфики работ в лесу, для применения лесохозяйственного трактора в лесном хозяйстве необходимо его оснастить защитными элементами для кабины, днища и т.д., также необходимо учесть возможность снижения удельного давления на почвогрунт.

Непростые условия для работы самоходных транспортно-технологических машин часто осложняются заболоченностью и пересеченной местностью. Помимо проходимости, также должны быть приняты во внимание экологические требования, ограничивающие негативное воздействие машин на окружающую среду.

Еще один фактор – развитость лесной инфраструктуры, в частности густота сети лесных дорог и дорог общего пользования. От этого зависит способ перебазировки лесных машин с одного участка лесного фонда на другой и, соответственно, требования к техническим возможностям технологических машин для выполнения «транспортных маршей» своим ходом на заданные расстояния.

Обобщенный анализ перечня лесосечных и лесохозяйственных работ, существующих технологических машин и орудий для их выполнения, с учетом характеристик природно-производственных условий позволяет сформулировать основные противоречия, не позволяющие создать эффективный универсальный машиннотракторный агрегат для лесного хозяйства на основе одного базового трактора:

– базовый трактор должен развивать большие тяговые усилия на лесной целине, при этом должен обеспечить достаточно большие транспортные скорости при передвижении на значительные расстояния по лесным дорогам и дорогам общего пользования;

– базовый трактор должен быть компактным, маневренным, обладать высокой проходимостью при движении по лесной целине, при этом он должен иметь хорошую энергонасыщенность, грузоподъемность и устойчивость.

Последнее замечание осложняется еще и тем, что, например, для валки деревьев машине нужен один набор функций и соответствующий гидропривод, для трелевки – другой. Нагруженность ходовой для машины на валке и трелевке разная, значит, и необходимая мощность разная.

Мощность валочной машины зависит не только от параметров деревьев, но и от типа режущего устройства, пильная цепь и пильный диск требуют разной мощности на приводе, и гидропривод машины работает по-разному. Для мульчирования мощность вообще нужна больше, чем для всей валочной машины. Устройство ходовой части форвардера и колесного харвестера различны, так как у них разные нагрузки и требуемые скорости. Поэтому модульной машине надо изначально четко определить как виды работ, так и требования на технические характеристики к исполнительным механизмам, с которыми базовый трактор будет совмещаться. Очевидно, что усреднение нагрузок приводит к созданию неполноценной машины, если говорить о всех направлениях и условиях ее применениях.

При разработке концепции лесохозяйственных машин наиболее оптимально иметь две машины – технологическую и транспортную, тогда технических противоречий становится значительно меньше.

Характерной чертой лесохозяйственного производства и лесоплантационных работ является небольшая продолжительность сроков выполнения отдельных видов работ. Однако их перечень достаточно разнообразен: подготовка почвы, посадка, сбор семян, работы в питомниках, рубки ухода, борьба с пожарами и др. Эта особенность вносит требования и к создаваемым машинам и орудиям для лесохозяйственного производства. По характеру работ орудия должны быть специализированы для выполнения агротехнических требований, легко монтироваться и демонтироваться на тяговые средства и быть экономически доступны – обладать достаточно низкой стоимостью при довольно большом их разнообразии. Этим требованиям могут отвечать орудия, создаваемые на базе одного тягового средства с большой их унификацией и комплектностью.

Почвенно-грунтовые условия также являются одним из основных факторов, оказывающих доминирующее влияние на выбор соответствующих базовых тракторов.

В 2020 г. в рамках проекта по развитию инновационных идей был произведен анализ рынка для развития концепта модульной лесной техники на базе серийных сельскохозяйственных тракторов в Латвии. Для начального этапа проекта был выбран форвардер 4х4 на базе серийного сельскохозяйственного трактора. Выделены следующие оптимальные, с точки зрения потенциальных покупателей, параметры машины: вес форвардера без груза 4–5 т; объем груза 3–5 м3; вес при полной загрузке до 10 т; диаметр колес 1000–15 000 мм, ширина колес 500 мм, возможность установки цепей противоскольжения; возможность использования прицепа; возможность передвижения по дорогам общего пользования; стоимость до 100 тыс. евро; комфорт оператора в кабине; возможность блокировки колес; возможность установки бортового навигационного оборудования мониторинга транспорта.

В настоящее время латвийская компания ORVI работает над созданием комплекса оборудования на базе серийного колесного сельскохозяйственного трактора типа МТЗ 80, включающего в себя трактор с активным лесохозяйственным полуприцепом, форвардер и кусторезизмельчитель. За прототипы взяты имеющиеся разработки компании: кусторезизмельчитель; трактор Т-40АМ с активным лесохозяйственным полуприцепом АЛП-1; лесной трактор форвардер МТ-55-С.

Целью проекта является создание унифицированного, недорогого комплекса оборудования для лесохозяйственной и лесозаготовительной деятельности с возможностью применения базового трактора после монтажа/демонтажа как в сельском, так и в лесном хозяйстве. Ориентировочная стоимость форвардера – в пределах 75–100 тыс. евро. Планируется установка бортового навигационного и сенсорного оборудования.

Однако существующие противоречия для универсальной технологической лесохозяйственной машины крайне сложно конструктивно преодолеть в рамках концепции классического трактора с механической или гидравлической трансмиссией. Особенно много функциональных ограничений накладывает механическая трансмиссия. В частности, качественное повышение проходимости колесной машины обеспечивается установкой колес на рычагах с возможностью их независимого перемещения относительно рамы трактора, механический привод в этом случае становится слишком сложным, а гидравлический привод обладает слишком низким КПД.

Используемые в настоящее время на тракторах гусеничный и колесный движители также принципиально не позволяют обеспечить синтез большого тягового усилия на лесной целине и высокой транспортной скорости на дорогах. Даже без учета экологических требований, развитие большого тягового усилия на лесной целине требует большого пятна контакта, обеспечиваемого только большими «мягкими» шинами, которые при движении по дороге существенно ограничивают максимальную скорость и создают дополнительное сопротивление. Гусеничный движитель позволяет достичь больших тяговых усилий на лесной целине, однако он еще сильнее ограничивает транспортные скорости при движении по дороге. В целом колесный движитель обладает большей эксплуатационной гибкостью, включая возможность его трансформации в полугусеничный.

А потому сегодня на разных работах применяются различные трактора. На работах, требующих больших тяговых усилий, используются машинно-тракторные агрегаты на базе гусеничных тракторов, аналогичных ЛХТ-55 и ДТ-75, а на работах, требующих больших скоростей передвижения, – колесные тракторы типа МТЗ-82.

Тенденция перехода к использованию технологических машин с активными рабочими органами позволяет во многом естественным образом устранить противоречие, связанное с необходимостью создания больших тяговых усилий на лесной целине. Тем не менее для обеспечения высокой проходимости для колесного движителя все же необходимо большое пятно контакта, нежелательное при движении с большой скоростью по дороге. Данное противоречие может быть конструктивно разрешено за счет установки на «штатные» колеса дополнительных «широких» колес, аналогично техническому решению, используемому в сельскохозяйственных тракторах. Кроме того, для колесного движителя лесохозяйственного трактора должна быть предусмотрена возможность установки на колесных гусениц. Как правило, это реализуется использованием шасси с балансирными тележками.

Таким образом, облик перспективного лесохозяйственного трактора на колесном шасси, который может быть разработан и внедрен в ближайшее время, характеризуется следующими признаками: колесное шасси как минимум с одной балансирной тележкой; независимое гидравлически регулируемое положение движителей относительно рамы трактора; большинство технологических машин агрегатируется полуприцепным способом и имеет активные рабочие органы. Среди технических характеристик такой машины должны быть: снаряженная масса (без технологических машин) не более 5000 кг; мощность двигателя не менее 200 кВт; электрическая трансмиссия; грузоподъемность не менее 5000 кг. Количественная оценка основных технических параметров получена на основе анализа характеристик представленных в настоящее время на рынке сельскохозяйственных и промышленных тракторов.

Популярность универсальной лесохозяйственной машины, помимо ее качественных свойств, может быть обеспечена при адекватной, конкурентоспособной цене. В среднесрочной перспективе обозначенные выше противоречия требований к универсальному лесохозяйственному трактору могут быть решены принципиально иным способом. Его суть заключается в формировании машинно-тракторного агрегата не только путем агрегатирования технологических машин с одним трактором, но и формирования трактора для агрегата путем компаундирования нескольких тракторов. Это наряду с использованием достижений в области автоматизации, роботизации и информатизации мобильных транспортно-технологических комплексов позволит качественно повысить эффективность выполнения работ в лесном хозяйстве.

Евгений Онучин, доцент ПГТУ

Армен Давтян, аспирант БГУ

Ольга Куницкая, профессор ЯГСХА

Игорь Григорьев, профессор ЯГСХА

Ольга Григорьева, доцент СМбГЛТУ им. С.М. Кирова