Лесосечные машины с манипулятором

В 1960 году впервые в ЛТА вместо традиционного технологического оборудования «лебедка-щит» на трелевочный трактор ТДТ-40 был установлен гидроуправляемый манипулятор (см. рис. 5.1).
Сбор пачки деревьев осуществлялся по такой технологической схеме: вальщик бензиномоторной пилой осуществляет повал деревьев под углом 20-30 градусов к направлению движения трактора по вырубке или волоку; трактор, двигаясь вдоль полосы лежащих деревьев или хлыстов, манипулятором с помощью захватного устройства набирает пачку в кониковое зажимное устройство.
Вот как обосновывает актуальность появления этой машины один из ее создателей.
«... В 50-е годы надежды на устранение ручного труда на лесосеке, в том числе и на трелевке, связывались с возможностью создания либо лесных комбайнов, т. е. многооперационных, так называемых агрегатных машин, либо системы однооперационных специализированных машин, комплексно механизирующих лесосечные работы. Ho при всей их привлекательности различные предлагающиеся тогда идеи по созданию лесных комбайнов или однооперационных специальных машин обладали тем существенным недостатком, что предусматривали взаимодействие с поднятыми над землей деревьями и при существовавшем в то время уровне развития приводных механизмов не позволяли в достаточно короткие сроки создать на базе серийных трелевочных тракторов простые, эффективные и надежные машины, способные к тому же заменить собой чокерные тракторы в большинстве условий лесозаготовок и лесного хозяйства. Это было, в основном, следствием неизученности сложных процессов машинного срезания деревьев и взаимодействия машины со срезанным деревом при полном его отрыве от земли.
Таким образом, в конце 50-х годов в развитии лесозаготовительной техники возникла противоречивая ситуация, когда, с одной стороны, чокерное оборудование трелевочных тракторов стало тормозом технического прогресса, так как не позволяло устранить ручной труд на трелевке и вспомогательных работах в лесу, с другой стороны, агрегатные комбайновые машины, позволявшие в принципе устранить ручной труд на основных работах, не вышли из стадии поисковых исследований и были далеки от постановки на серийное производство».
И далее «...оставалась нерешенной задача создания в короткие сроки на базе серийных трелевочных тракторов высокопроизводительной универсальной лесной машины, которая смогла бы, устранив на трелевке и вспомогательных работах в лесу ручной труд, заменить собой в большинстве условий лесозаготовок и лесного хозяйства чокерные трелевочные тракторы на всех видах рубок леса.
Как ответ на эту техническую проблему явилась совместная разработка Лесотехнической академией и Онежским тракторным заводом в 1960-1961 гг. принципиально нового, полностью механизированного способа набора трелевочной машиной деревьев и хлыстов, лежащих на лесосеке в полосе повала».
Прежде чем делать заключение и давать оценку, удалось ли авторам трелевочного трактора с манипулятором, оснащенным захватным устройством, решить заявленную ими же техническую проблему, рассмотрим кратко, как развивались события по разработке, созданию и внедрению новой машины, получившей вначале название бесчокерный трелевочный трактор. Здесь нужно заметить, что эта машина создавалась практически параллельно с рассмотренной выше ВТМ-4.
В период 1961-1963 годов первый макетный образец прошел производственную апробацию, после которой было принято решение о продолжении этой работы.
В 1964 году были изготовлены два новых макетных образца: один в ЛТА - на базе трактора ТДТ-40М, второй на ОТЗ - на базе трактора ТДТ-55.
В 1965-1967 годах эти образцы были испытаны на постепенных и сплошных рубках с сохранением и без сохранения подроста.
По результатам испытаний этих образцов было принято решение начать на ОТЗ серийный выпуск нового трелевочного трактора с манипулятором, которому была присвоена марка ТБ-1 (рис. 5.2). Проектирование промышленного образца осуществлялось в ГСКБ ОТЗ ив 1973 году были выпущены первые трелевочные тракторы. Манипуляторы изготавливались на Великолукском заводе «Лесмаш».

Предполагалась полная замена трелевочных тракторов с оборудованием «лебедка-щит» на бесчокерные тракторы. В этой связи было не случайным, что трактор ТДТ-55, сменивший ТДТ-40М, в отличие от последнего имел одноместную кабину, так как с установкой на шасси манипулятора отсутствовала необходимость в чокеровщике, который в процессе трелевки пачки деревьев и холостого хода находился в кабине.
Как была принята новая машина лесозаготовителями? В начале посмотрим на это глазами разработчиков.
Ю. Г. Артамонов в работе пишет:
«...Как это часто бывало в истории техники, новое направление было принято не сразу. Многие специалисты и руководители лесной промышленности не верили, что можно манипулятором заменить трос, считали, что новый тип трактора не впишется в технологию лесозаготовок, что он не может быть эффективным в условиях лесосеки. Сказывалось, так называемая, психологическая инерция в мышлении тех, кто считал трос незаменимым при сборе поваленных на лесосеке деревьев. Однако успешные испытания и проведенные исследования макетных образцов привели к постепенному признанию трелевочного трактора нового типа. Министерством лесной промышленности с учетом результатов исследований и испытаний макетных образцов, выполненных ЛТА и ОТЗ, было выдано техническое задание на проектирование промышленного образца трелевочного трактора с гидроманипулятором на базе трактора ТДТ-55».
Посмотрим теперь на решение проблемы по замене трелевочного трактора с канатно-чокерной оснасткой на трелевочный трактор с гидроманипулятором со стороны. Так ли были «слепы» противники нового трактора?
1. Первые же производственные испытания показали, что ожидать значительного повышения производительность труда не следует. Затраты на сбор пачки из поваленных бензиномоторной пилой деревьев не сократились, а наоборот, увеличились, вместо 40-50 стали 60-70 %.
2. Сохранение подроста на постепенных рубах получается хуже, чем у трелевочного трактора с канатно-чокерной оснасткой, так как трактор с манипулятором собирает деревья с узкой ленты и практически проходит по всей пасеке.
3. Одной из причин незначительного увеличения производительности (по некоторым данным называются цифры 20-25 %) по сравнению с обычным трелевочным трактором является, во-первых, поштучное пакетирование деревьев, и, во-вторых, частые переезды (с одной стоянки погружается не более двух-трех деревьев). Время технологических переездов при наборе одной пачки составляет в среднем 20-27 %.
Небольшое число пакетируемых деревьев с одной стоянки связано с тем, что несмотря на то, что угол поворота манипулятора у первых машин был 167°, а у последующих доведен до 173°, оператор может из-за плохого обзора брать деревья лишь в узком секторе, не превышающем 60-70°.
4. Технологическое оборудование на тракторе сложное и дорогостоящее, практически не отличающееся от экскаваторного. Отличие заключается лишь в рабочем органе: вместо ковша у экскаватора - захват у трелевочного трактора. Хорошо известно, что наивысшая производительность экскаватора или крана достигается в стационарных условиях работы, когда коэффициент использования технологического оборудования составляет 0,7-0,8 и более.
Гидроманипулятор же бесчокерного трелевочного трактора используется лишь 30-35 % времени смены. Все остальное время он не используется и выполняет роль балласта при грузовом ходе, разгрузке пачки, и холостом ходе. Учитывая, что масса технологического оборудования у трактора с гидроманипулятором составляет 1,2 т (без КЗУ), то это, естественно приводит к дополнительной нагрузке на шасси и снижает долговечность ходовой системы в 1,9 раза.
Более того, как показали дальнейшие исследования динамики, в процессе трелевки пачки и холостого хода и сам манипулятор подвергается динамическим нагрузкам, превышающим нагрузки при наборе пачки, что также снижает долговечность машины. Одновременно не нужно забывать, что трелевочный трактор создавался и рассчитывался под нагрузки, связанные с канатно-чокерным оборудованием, а не грузоподъемной машины.
5. С установкой на шасси гидроманипулятора и коникового зажимного устройства вместо лебедки и щита трелевочный трактор потерял главные свои, ранее указанные, достоинства:
- возможность сформировать пачку деревьев или хлыстов с одной стоянки, так как ширина обрабатываемой пасеки у трактора с канатно-чокерной оснасткой достигает 40-50 м;
- высокую проходимость.
Поэтому не случайно конструкторы ОТЗ в процессе доработок неоднократно, с целью сохранения проходимости и способности к самовытаскиванию, возвращались к варианту установки на шасси кроме манипулятора и коника еще и лебедки. В связи с тем, что лебедка серийной машины ТДТ-55 имеет большую массу, то делалась попытка установки небольшой лебедки (автомобильной) спереди трактора. Однако трелевочный трактор имеет такую «развесовку» по опорным каткам, что даже небольшая дополнительная нагрузка на передние каретки приводит к «клеванию» трактора в процессе холостого хода. В конце концов, от этого решения конструкторам пришлось отказаться.
Производственники вынуждены были решать проблему плохой проходимости машины следующим образом:
- для работы трелевочному трактору TB-1 отводились пасеки с хорошей несущей способностью грунтов или использовали их на строительстве дорог, усов, и т. д.;
- тракторы TB-1 эксплуатировались на лесосеках совместно с ТДТ-55, чтобы в случаях застревания последние могли вытащить их лебедкой.
Вследствие этих недостатков трелевочные тракторы TB-1 так и не нашли широкого признания у лесозаготовителей до окончательного прекращения серийного выпуска.
Здесь теперь необходимо сказать, на наш взгляд, и о самой большой ошибке, допущенной конструкторами ГСКБ ОТЗ, да и ЛТА, при разработке трелевочного трактора с манипулятором. Как мы ранее отмечали, замена трактора ТДТ-40М производилась под эгидой выпуска тракторов ТДТ-55 и бесчокерных, то есть TB-1. Причем предполагалось в дальнейшем тракторы ТДТ-55 заменить полностью на TB-1. В этой связи кабина у трактора ТДТ-55 была выполнена одноместной. Однако на деле все получилось по-другому. ОТЗ не имел дополнительных мощностей и производственных площадей для организации серийного выпуска TB-1, и появлению бесчокерного трактора на лесозаготовках мы обязаны Великолукскому заводу «Лесмаш», который организовал у себя изготовление манипуляторов в количестве 300 штук в год. И вот в таком количестве этот трактор и выпускался ОТЗ вплоть до 1994 г. Основная же продукция Онежского тракторного завода состояла в выпуске трелевочных тракторов, вначале ТДТ-55, а затем ТДТ-55А в количестве до 12000 штук в год. Таким образом, чокеровщик не только не был заменен, но и был лишен возможности находиться в кабине при трелевке пачки и холостом ходе. Несмотря на нарушения техники безопасности чокеровщики размещались и размещаются до настоящего времени при трелевке пачки на капоте машины или на щите при холостом ходе, что является недопустимым. Кстати, первые переходные модели трактора ТДТ-55 (Т-401) были оснащены двухместной кабиной (см. рис. 3.3). С другой стороны, незначительные объемы выпуска тракторов TB-1 не нанесли лесной отрасли страны большой ущерб. Трудно себе представить, что произошло бы, если бы тракторная промышленность могла полностью заменить на лесозаготовках трактор ТДТ-55 на ТБ-1.
Кроме уже отмеченного, необходимо попутно остановиться и на следующем. Вследствие не престижности тяжелого ручного труда на чокеровке деревьев примерно к началу 80-х годов в ряде лесозаготовительных регионов страны средний возраст рабочих достиг 50-55 лет. Мощность же трелевочного трактора, как увидим далее, все время наращивалась. С ростом мощности увеличивалась рейсовая нагрузка машины. Если канатно-чокерная оснастка ТДТ-40М включала тяговый канат длиной 40 м, диаметром 19 мм и комплект чокеров в количестве 10-15 штук, то уже у трактора ТДТ-55, при той же длине тягового каната, диаметр его 20 мм, увеличилось также и число чокеров (см. табл. 5.1).

Таким образом, средний возраст рабочего-чокеровщика имеет тенденцию к повышению, а разработчики продолжают увеличивать мощность и грузоподъемность трелевочного трактора, делая его труд все более тяжелым, так как средний объем деревьев на лесосеке имеет наоборот тенденцию к уменьшению и, следовательно, количество чокеров на машине должно соответственно увеличиваться. Поэтому не случайно проводимыми производственными статистическими исследованиями было установлено, что рейсовые нагрузки трелевочного трактора не превышают 0,5-0,55 от номинальной нагрузки машины. Недогрузка объясняется тем, что при наборе пачки из деревьев небольшого объема, равной грузоподъемности трактора (нагрузка на щит), резко возрастают затраты времени, и сменная производительность трелевочного трактора снижается.
Несмотря на недостатки бесчокерного трактора ТБ-1 такие же машины начали создаваться на базе трелевочных тракторов ТДТ-75 и ТТ-4, и получили соответственно названия ЛП-11 (1970-1971 гг.), ЛП-18, ЛП-18А и ЛП-18В, позже - ЛП-18Г, отличающаяся от ЛП-18А вылетом манипулятора до 10 м.
Так, в статье приведены такие высказывания:
«...Опыт работы машин ЛП-18 (см. рис. 5.4) показал, что наиболее целесообразно их использовать в укрупненных бригадах, работающих на базе двух трелевочных тракторов, один из которых должен быть ТТ-4 или ТДТ-55. Это вызвано тем, что бесчокерная машина не приспособлена к трелевке на участках с заболоченной и холмистой местностью».
В связи с тем, что указанные выше недостатки трактора TB-1 были настолько очевидны, что на кафедре проектирования специальных лесных машин ЛТА была сделана попытка их устранения путем расширения возможностей машины за счет замены труда вальщика. С этой целью было изготовлено в 1969 году захватно-срезающее устройство ножевого типа, которое заменило захват. В результате лесопромышленный трактор TB-1 был превращен в валочно-пакетирующую машину. Испытания опытного образца проводились в Кастенском лесничестве Лисинского учебно-опытного лесхоза (1970 г.). Интерес к машине был настолько велик, что на лесосеку пришло много жителей поселка и хотя начался дождь никто не уходил, пока не были срезаны и уложены в коник десяток деревьев.
В результате испытаний было установлено:
- ЗСУ ножевого типа работоспособно и имеет высокую надежность;
- время полного цикла на обработку одного дерева составляет в среднем 45-50 с;
- с одной стоянки возможна обработка двух-четырех деревьев;
- коэффициент использования технологического оборудования повышается до 0,4-0,5 при пакетировании деревьев на землю (без трелевки).

По результатам испытаний было принято решение продолжить научно-исследовательские работы по созданию валочно-пакетирующей машины ограниченной грузоподъемности. Для этих целей под руководством С. Ф. Орлова, В. М. Троязыковым была разработана захватно-срезающая головка с пильным (цепным) срезающим устройством. Беззажимное пиление ствола дерева обеспечивалось гидродомкратом с упором в будущий пень. Испытание макетного образца ВПТ на базе трактора TB-1 проводились вначале в Охтинском учебно-опытном лесхозе ЛТА, а затем в Лисинском лесхозе и на опытной базе ОТЗ (пос. Нелгомозеро КАССР), см. рис. 5.3, 5.5, 5.6. Первоначально машина была названа валочно-пакетирующе-трелевочная (ВПТМ ТБ-1В). В процессе испытаний TB-IB были получены достаточно хорошие результаты. Причем в процессе испытаний применялись два способа пакетирования: способ повала «от себя», когда не требовалось сохранять подрост, и способ предварительного наклона дерева после срезания на рукоять с последующим выносом его на технологический коридор, когда требовалось сохранять подрост. Испытания показали, что даже на сплошных рубках без сохранения подроста оператор машины ТБ-1В использовал в работе оба способа пакетирования. Мелкие и средние деревья диаметром до 30 см он пакетировал способом наклона «на рукоять», а крупные деревья пакетировал способом повала «от себя». В процессе испытаний первым способом заготовлено более 60 % всех деревьев. В дальнейшем было принято окончательно называть новую машину валочно-трелевочной. Начиная с 1972 года, к работе по созданию BTM на базе TB-1 подключились ЦНИИМЭ, комбинат «Ленлес» и институт ЦНИИЛесосплава.

В период 1972-73 гг. по техническому заданию, разработанному академией с КБ ЦНИИЛесосплава, а затем на его заводе был спроектирован и изготовлен улучшенный образец BTM ТБ-1В (было изготовлено два экземпляра). В 1974 году была достигнута договоренность между ЛТА, ОТЗ и ЦНИИМЭ провести на опытной базе ОТЗ сравнительные испытания уже трех ВТМ: ВП-80 (ОТЗ), TB-1В (ЛТА) и ЛП-17 (ЦНИИМЭ).
В конечном итоге, наиболее удачной захватно-срезающей головкой оказалась конструкция ЦНИИМЭ. Недостатком работы ЗСУ ЛТА была неудачная конструкция упора (гидродомкрата), при работе которого наблюдались частые проскальзывания по стволу и, как следствие, не обеспечивалось беззажимное пиление. После срезания ЗСУ конструкции ОТЗ наблюдались частые сколы комлевой части дерева из-за большого валочного момента, создаваемого гидроцилиндром поворота срезающей головки. В конечном итоге, к серийному выпуску была рекомендована BTM конструкции ЦНИИМЭ ЛП-17.

Бесчокерный способ сбора и трелевки пачки деревьев или хлыстов вызвал необходимость внесения изменений и в конструкцию устройства для ее закрепления на машине.
Первая попытка бесчокерного удержания деревьев на машине при трелевке была осуществлена в 1950 году при испытании машины ЛК-1, созданной в ЛТА на кафедре станков и инструментов, под руководством А. Э. Грубе.
Удерживающее устройство содержало жесткие рычаги, поворачиваемые механическим путем.
Подвижные концы рычагов соединялись провисающим канатом, который служил опорой для уложенных сверху деревьев. При сведении рычагов внутрь канат замыкается в пространстве, образовывая петлю.
Основным недостатком такого устройства было то, что рычаги имели значительную металлоемкость, так как работали при трелевке на изгиб.

В 1952 году институтом НАТИ на базе КТ-12 был разработан опытный образец валочно-трелевочного трактора под маркой BTT-1 (рис. 5.8). Это была первая попытка создания машины для механизации процессов повала, пакетирования и увязки деревьев в пачки бесчокерным способом. Совмещение пакетирующего рычага с обвязочным канатом позволило упростить механизм замыкания обвязочного каната на пачку, однако, значительное разнесение концов каната по длине кониковой балки сделало невозможным поворот машины с закрепленной пачкой при неповоротном конике.
Поэтому для устранения этого, закрепляющий механизм был выполнен поворотным.
В 1961 году одновременно в ЛТА и ЦНИИМЭ были начаты работы по созданию конструкций по бесчокерному удержанию деревьев или хлыстов в пачках при трелевке. На рис. 5.1, 5.7 показан первый опытный образец для бесчокерного сбора и трелевки, изготовленный в ЛТА. Устройство для удержания пачки было выполнено с жесткими рычагами, оси поворота которых разнесены по краям кониковой балки. Образец машины для бесчокерной трелевки ЦНИИМЭ содержал устройство для закрепления деревьев, состоящее из полуэллиптического коника с жесткими рычагами, оси поворота которых также разнесены по краям балки (рис. 5.10).
В процессе испытаний этих машин было выявлено, что постоянная кривизна рабочих поверхностей рычагов не обеспечивает необходимого контакта рычагов с закрепляемыми деревьями.
Образуются «окна», в которых концы деревьев удерживаются только за счет сил трения и сцепления, которых недостаточно для удержания деревьев при трелевке,
В этой связи для второго опытного образца трактора с гидроманипулятором в ЛТА было разработано удерживающее устройство с тросовой петлей треугольной формы (рис. 5.9).


Испытания машины показали работоспособность удерживающего устройства, названного впоследствии коником. Наличие формирующих элементов в виде отрезков каната с пружинами позволили обеспечить необходимую исходную форму пачки перед закреплением.
Основным недостатком устройства являлись затруднения при укладке концов деревьев внутрь канатной петли.
Впоследствии Онежским тракторным заводом был разработан коник, содержащий обвязочный канат, состоящий из двух отрезков, натяжение которых при закреплении пачки обеспечивалось поворотными шарнирно-сочленеными составными рычагами, приводимыми в действие гидроцилиндром (рис. 5.11). Укладка стволов деревьев манипулятором производилась сверху. Эта конструкция оказалась удачной и стала основной у серийно выпускаемых трелевочных тракторов TB-1 и валочно-трелевочных машин ВП-80 и ЛП-17А.
Подводя итог, можно отметить, что начало семидесятых годов ознаменовалось широким использованием на лесосечных работах манипуляторов, вначале в качестве погрузочных устройств, а затем и устройств, обеспечивающих доставку захватно-срезающих головок к дереву и укладку последнего после срезания на машину или волок.