Механизация лесозаготовок

Первые образцы валочно-пакетирующих машин были созданы в России еще в 50-х годах. Эти машины конструкции ЦНИИМЭ ВПМ-1 и ВПМ-4 были выполнены на базе тросовых (канатных) экскаваторов, но дальнейшего развития не получили.
Первой в мире валочно-пакетирующей машиной манипуляторного типа следует считать машину конструкции ЛатНИИЛХП «Дятел-1», созданную в 1964 году.
Предназначена эта машина была для ведения рубок ухода за лесом. В начале в качестве базы был использован сельскохозяйственный колесный трактор T-28 Владимирского тракторного завода. Работала машина по способу бесповальной рубки деревьев, то есть срезанное дерево выносилось в технологический коридор в вертикальном положении. Предпосылкой для разработки ВПМ явилось то, что по результатам исследования изменений таксационных элементов в насаждениях разных пород и возраста при прокладке густой сети технологических коридоров при рубках ухода, проводимых в 1964-1965 гг. в ходе экспериментальной проверки разных технологических схем разработки лесосек были установлены возможные четыре технологические схемы для перемещения срезанного дерева до технологического коридора:
1) валка деревьев и их перемещение по земле вершиной вперед;
2) валка деревьев и их перемещение по земле комлем вперед;
3) срезание деревьев, подъем вверх, вывод их из полога насаждения и перемещение до технологического коридора;
4) срезание деревьев, подъем до частичного вывода кроны дерева из полога насаждения и перемещения до технологического коридора.
В результате сравнения этих четырех схем было признано:
- первая и вторая схемы не обеспечивают выполнения лесотехнических требований по сохранению лесной среды (подроста, почвенного покрова и т. д.) и, самое главное, не решают основной задачи - механизации процесса лесозаготовок;
- третья схема конструктивно трудно осуществима;
- четвертая схема является наиболее перспективным технологическим вариантом.
Для практической реализации четвертой схемы в институте ЛатНИИЛХН в 1964 году и были начаты опытно-конструкторские работы по созданию специальной машины.
Технологическое оборудование машины (см. рис. 6.1) состояло из поворотной колонны, стрелы, захватно-срезающего и формирующего устройств. По результатам испытаний первого экспериментального образца были разработаны лесотехнические требования на машину «Дятел-1», которые в 1969 году были утверждены Гослесхозом CM СССР и уже в качестве базы опытного образца был использован более мощный трактор «Беларусь» МТЗ-52. Максимальный диаметр срезаемых деревьев был 18 см, а в последующих образцах - до 20 см. Опытный образец машины «Дятел-1» в 1966 году прошел заводские и ведомственные испытания, а в 1967 и 1969 гг. - государственные испытания. В 1968 году заводом «Ригалесмаш» была изготовлена опытная партия машины «Дятел-1», которая прошла производственную проверку в различных регионах СССР. Конструктивные усовершенствования машины «Дятел-1» производились вплоть до 1971 г. В период с 1969-1970 гг. были изготовлены два образца «Дятел-1» на базе промышленной модификации трактора Липецкого завода Т-50 АП и специального лесохозяйственного Т-5Л этого же завода. В результате доработок производительность машины была доведена до 15-20 м3 плотных в смену. Время выполнения рабочего цикла составило соответственно 55,3, 63,0 и 40,2 с (это для образца на базе Т-5Л). Результаты испытаний машин «Дятел-1» явились в дальнейшем ценным научным материалом для создания многооперационных лесосечных машин.

В конце 1966 года в ЛатНИИЛХП на базе трелевочного трактора ТДТ-55 был изготовлен экспериментальный образец машины «Дятел-2» с вылетом стрелы 5,5 м (см. рис. 6.2). В качестве срезающего устройства вначале был применен нож, но результаты испытаний этого устройства были неудовлетворительными, и в дальнейшем нож был заменен цепной пилой.

В 1967 году эту машину переоборудовали манипулятором с вылетом 10,5 м и провели производственные испытания на проходных и сплошных рубках. Средняя продолжительность полного цикла обработки дерева на проходных рубках составила 109 с, на сплошных рубках - 88 с. После внесения ряда конструктивных усовершенствований в 1968 году на Великолукском заводе «Торфмаш» и на опытном заводе «Ригалесмаш» были изготовлены опытные образцы - лесопромышленные ЛП-2 (см. рис. 6.3) и лесохозяйственные «Дятел-2». Лесопромышленный вариант был изготовлен с вылетом манипулятора — 7,5 м и грузоподъемностью 1200 кг.
В 1969 году заводские испытания машины ЛП-2 были закончены. По результатам испытаний машины было принято решение о выпуске промышленных образцов. Однако доработка машины ЛП-2 продолжалась вплоть до начала серийного выпуска в 1971 году.
Таким образом, машина ЛП-2 явилась первой промышленной BlIM не только у нас в стране, но и в мировой практике. Технологический процесс сплошных рубок машиной ЛП-2 с сохранением подроста производился следующим образом. С полосы шириной до 14 м срезались и укладывались на коник деревья. В зависимости от характера насаждения, с одной стоянки спиливалось 5-8 деревьев. Сформированная на конике пачка деревьев объемом до 5 м3 сбрасывалась на землю для последующей трелевки подборщиком. (Машина может укладывать деревья и непосредственно на землю). На обработку одного дерева в среднем затрачивалось 60-90 с. При среднем объеме дерева 0,2-0,3 м3 средняя сменная производительность достигала 50-70 м3.
Какие же можно сделать выводы по использованию машины этого типа?
Достоинства.
1. Полностью заменяется ручной труд на заготовке леса (на первой ее фазе).
2. Отсутствует канатно-чокерная оснастка.
3. Коэффициент использования рабочего времени (технологического оборудования): при укладке в КЗУ составляет 0,68, при укладке на землю - 0,73.
Недостатки.
1. Технологическое оборудование составляет примерно одну треть от общей массы машины.
2. Наличие второй кабины создает неудобства работе оператора. Он вынужден в течение смены многократно переходить из одной кабины в другую. При этом затраты времени на переход составляют в расчете на 1 м3 4,8-5,2 %.
3. Невозможность низкого (в соответствии с лесоводственными требованиями) срезания деревьев зимой из-за снега.
4. Недостаточная проходимость и маневренность машины из-за большого удельного давления на грунт (1,25 кгс/см2, т. е. 0,125 МПа).
5. Мала устойчивость ВПМ, необходима установка аутригеров.
В то же время, во многом несовершенная, эта машина оказала огромное влияние на дальнейшее развитие валочно-пакетирующих машин манипуляторного типа, на поиск новых конструктивных и компоновочных решений.
Одновременно стало очевидным, что в качестве базовой машины для ВПМ, предназначенной для ведения сплошных рубок, нужна другая, более мощная, база, а лесопромышленные тракторы ТДТ-55 и ТДТ-75 (ТТ-4, ТТ-4М) могут быть использованы в качестве баз для широкозахватных (манипуляторных) валочно-трелевочных машин.
Для рубок ухода НПО «Силава» на базе ЛП-2 была сконструирована машина МВП-35 с вылетом манипулятора 10,36 м.
Так как с увеличением вылета манипулятора существенно увеличилось и время выполнения операций подведения ЗСУ и выноса дерева, конструкция ЗСУ была изменена - захватное устройство было дополнено еще одним рычагом. Это позволило производить поочередно срезание и набор нескольких деревьев в ЗСУ и снизить таким образом затраты времени в расчете на одно дерево. Как показали наблюдения за работой ВПМ МВП-35, несмотря на возросшие расстояния до объекта труда, больших затруднений у оператора, связанных с наведением ЗСУ на дерево, не было. Основные сложности происходили в момент перемещения дерева вследствие сцепления (сплетения) ветвей выносимого дерева с соседними, что приводило к большим затратам времени на их размыкание (разъединение) и динамическим нагрузкам.
По результатам испытаний было принято решение продолжить работы по усовершенствованию машин такого типа. Была разработана новая ВПМ МВП-1 уже на базе лесопромышленного трактора ТТ-4 с одной кабиной. Управление технологическим оборудованием и движением машины осуществлялось из кабины, установленной на поворотном круге. В дальнейшем, институтом ВПКИлесмаш и НПО «Силава» (разработчики) и Йошкар-Олинским заводом «Лесмаш» была изготовлена новая валочно-пакетирующая машина ЛП-54, предназначенная для рубок ухода за лесом. Базой машины является трелевочный трактор ТТ-4М с демонтированной кабиной. На шасси трактора установлено опорно-поворотное устройство, на раме которого расположена кабина и гидроманипулятор с ЗСУ с накопителем. Спиленные деревья собираются в пачку в накопителе ЗСУ, затем выносятся из пасеки в вертикальном положении и укладываются комлями в коник машины. После накопления в КЗУ пачки она сбрасывается на технологический коридор. Машина имеет конструктивную массу 18680 кг при максимальном вылете манипулятора 10,5 м и грузоподъемности 500 кг.
Проблему ведения рубок ухода за лесом примерно в эти же годы пытались решить и за рубежом. В частности, финская фирма предложила свой вариант решения, создав малогабаритный трактор «Макери-34Т», оснащенный захватно-срезающим устройством, установленным впереди машины. Вынос срезанного дерева на технологический коридор осуществлялся в вертикальном положении, где производилась очистка ствола от сучьев и раскряжевка на сортименты. Попытка использования этих машин в России в 80-е годы в условиях Карелии в зимний период закончилась неудачей вследствие незначительного дорожного просвета.
Накопленный опыт в вопросе создания и применения первых валочно-пакетирующих машин, разработанных в ЛатНИИЛХП и ЛТА, а также в США (Drott-40LC), был использован в дальнейшем при разработке мощной отечественной машины ЛП-19 (разработчики ЦНИИМЭ и Йошкар-Олинский завод лесного машиностроения). В качестве базовых машин были использованы экскаватор ЭО-4121 и трелевочный трактор ТТ-4 (ходовая часть). Опытная партия ЛП-19 была выпущена заводом в 1974 году. Первая модель ЛП-19 выпускалась в период с 1974 по 1984 гг. Было выпущено 3268 машин. Машина состояла из самоходного шасси, полноповоротной платформы с кабиной и гидроманипулятора с захватно-срезающим устройством.
ВПМ ЛП-19 разрабатывала пасеку шириной 15-16 м. Технологический процесс при обработке дерева такой же, как и у ЛП-2. Отличием является то, что ЛП-19 формирует пачку на земле. С одной позиции (стоянки) в зависимости от параметров лесосеки машина обрабатывает от пяти до десяти деревьев. Затраты времени на обработку одного дерева составляют в среднем 40-45 с.
Приобретенный опыт эксплуатации первой модели позволил заводу перейти в 1984 году на новую модификацию ЛП-19А. ВПМ ЛП-19А (рис 6.4) была основной серийно выпускаемой машиной на протяжении более десяти лет. В 1993 году была разработана и изготовлена новая переходная модель ВПМ ЛП-19Б-01 с увеличенным вылетом манипулятора до 9,9 м, а затем, в конце 1994 года, основная машина - ЛП-19В.
Для работы в тонкомерных лесах Севера была разработана валочно-пакетирующая машина ЛП-60 («Абакан»). Три опытных образца проходили производственную проверку в Оленинском и Крестецком леспромхозах. По результатам испытаний машина была рекомендована к серийному производству, но в дальнейшем He выпускалась. Вместо этой машины была подготовлена к выпуску ВПМ ЛП-60-01 на базе трактора ТТ-4М. Испытания ее опытных образцов в Оленинском леспромхозе и на лесозаготовительных предприятиях Красноярского края показали, что машина имеет недостаточную грузоподъемность манипулятора для эксплуатации в лесах Сибири. В этой связи завод совместно с ОАО «ЦНИИМЭ» в 1996-1997 гг. разработал более мощную ВПМ ЛП-60-01 А. Было изготовлено в металле три опытных образца, которые прошли испытания в Инбахинском леспромхозе Красноярского края. По результатам испытаний машина была доработана, но серийный выпуск так же, как и ЛП-60-01 не состоялся. В табл. 6.1 приведены краткие технические данные перечисленных машин.

В 1995 году фирма АО Йошкар-Олинский завод лесного машиностроения подготовила к выпуску новую модификацию ВПМ на базе ЛП-19 с выравнивателем полноповоротной платформы (ЛП-19Б). ЛП-19Б была предназначена для работы на склонах до 15° благодаря наличию подвижной рамы. Кроме того, конструкция позволяет разворачивать ЗСУ в плоскости, перпендикулярной продольной оси манипулятора на ±15°.
Однако в результате разразившегося в стране общего экономического кризиса выпуск ЛП-19Б не был осуществлен, а фирма прекратила свое существование.

Применение на лесозаготовках валочно-пакетирующих машин ЛП-2 и ЛП-19 выдвинуло новую задачу - создание специальных подборщиков пачек деревьев. Попытки использования для этих целей уже серийно выпускаемых бесчокерных трелевочных тракторов ТБ-1, ЛП-11, ЛП-11-1А и ЛП-18А, а также колесных К-700 оказались малоэффективными.
Было установлено, что производительность трелевочных тракторов при подборе пачек от ВПМ повышается на 20-30 % по сравнению с тем, когда воз формируется из отдельных деревьев, поваленных бензопилами, но при этом одновременно на 48 % увеличивается себестоимость.
Использование тракторов с манипуляторами на подборе пачек, работающих по принципу поштучного набора деревьев, нецелесообразно и по технологическим соображениям и с позиций основ конструирования - зачем такое сложное гидрофицированное оборудование, когда перевернутый коник бесчокерного трактора может с успехом выполнять функции пачкового захвата.
Кроме перечисленных основных валочно-пакетирующих машин в последние годы был разработан ряд новых. В частности, для рубок ухода за лесом НПО «Силава» была сконструирована и изготовлена в металле машина на колесной базе МВП-20, предназначенная для прореживания в молодняках бесповальным способом. Машина оснащалась манипулятором с вылетом 6 м и грузоподъемностью 250 кг. Ее масса составляла 6500 кг. До серийного выпуска дело не дошло, был изготовлен лишь макетный образец.

На базе ВПМ ЛП-19А была разработана валочно-сучкорезно-раскряжевочная машина МЛ-20 (1983 г.), предназначенная для заготовки сортиментов на рубках главного пользования и особенно на лесосеках, тяготеющих к приречным складам, с преобладанием хвойных пород, со средним объемом хлыста до 0,7 м3. Захватно-срезающее устройство у нее дополнительно снабжено протаскивающим устройством и ножами для удаления сучьев. Раскряжевка на сортименты производилась пильным механизмом. На серийный выпуск машина также не была поставлена. Разработана и подготовлена к выпуску BПM MЛ-78 на базе погрузчика-штабелера ЛТ-72Б. ЗСУ машины снабжено накопителем, вылет манипулятора 8 м, грузоподъемность - 2 т. Масса машины — 18 т.
В настоящее время небольшими партиями выпускаются валочно-пакетирующие машины МЛ-135, МЛ-119А. В отличие от машины ЛП-19А эти машины имеют повышенную мощность двигателя соответственно 165 и 125 кВт. Кроме того, захватно-срезающее устройство машины МЛ-135 оборудовано дисковым пильным устройством, устройством поперечного наклона ЗСУ и накопителем.
Несколько слов о срезающих механизмах лесосечных машин.
В связи с тем, что вопросу разработки и исследованию механизмов для машинного срезания деревьев посвящено много научной литературы мы остановимся лишь, на наш взгляд, на малоизученных, но вполне перспективных устройствах.
Машинная валка леса возможна в двух вариантах:
- с остановкой машины у каждого дерева;
- при непрерывном движении машины без остановки или как ее принято называть «напроход».
В машинах, работающих по первому способу, наибольшее применение нашли режущие механизмы с цепной консольной пилой.
Цепные пилы при высокой производительности обеспечивают качественный пропил и позволяют срезать деревья любого диаметра. Основной недостаток цепных пил заключается в их малой прочности (надежности). Они требуют введения в захватно-срезающее устройство дополнительных механизмов, обеспечивающих пиление и защиту от повреждения в процессе наведения, срезания и пакетирования дерева.
В отличие от бензиномоторной пилы, когда вальщик управляет ею непосредственно, при машинном срезании деревьев срезающее устройство находится от оператора BTM или ВПМ на расстоянии 5-10 м. Кроме того, оператор управляет процессом срезания дерева с помощью гидропривода, а не рук, то есть он не «чувствует» пилу.
Поэтому не случайно в 70-е годы прошлого столетия с появлением многооперационных машин в лесу в ведущих лесозаготовительных странах и в России были развернуты работы по замене не надежной цепной пилы другими механизмами и в частности, ножевыми. На рис. 6.6 и 6.7 соответственно представлены ножевые ЗСУ ЛТА, которым была оснащена валочно-трелевочная машина на базе трелевочного трактора TB-1, и машина Т-48Б конструкции КарНИИЛП. Чем было привлекательно ножевое устройство? Во-первых, простота и высокая надежность конструкции. Легкость в управлении и если так можно сказать - «неприхотливость» в обслуживании, во-вторых.

Основные недостатки ножевого режущего механизма заключаются:
1. В необходимости при срезании деревьев большого диаметра создания больших усилий на ножах, что вызвало в свою очередь использования для их привода гидроцилиндров большого диаметра и соответственно увеличения массы всей головки.
2. После просыхания древесины в комле дерева образуются микротрещины глубиной 10...15 см.
Нужно сказать, что к сожалению после многочисленных исследований, проводимых в ЦНИИМЭ, КарНИИЛП, ЛТА, ножевые механизмы у нас в стране были преданы забвению.
А зря. He нужно было создавать срезающие головки для валочно-трелевочных и валочно-пакетирующих машин с учетом срезания самого крупного дерева на лесосеке, которых всего 5-7 %. Нужно было для BTM и ВПМ проектировать ножевые ЗСУ с возможностью срезания деревьев диаметром 35-40 см, а для «дорезания» остающихся на лесосеке 5-7 % крупных навешивать сменную головку с цепной пилой. Причем, не обязательно сменная головка должна быть у каждой машины. На мастерском участке достаточно иметь одну-две.
В последнее время за рубежом появились комбинированные механизмы резания (см. рис. 6.8), где в головке компонуются одновременно ножевое и цепное устройства. Насколько такое решение целесообразно трудно сказать, ведь в этом случае для их привода нужны и силовой гидроцилиндр и гидромотор.
На первых экспериментальных валочно-трелевочных машинах, разработанных в ЦНИИМЭ, таких как ВТМ-2, а также на машине для сводки леса МТП-43 была сделана попытка использования в качестве механизма резания дисковых пил и дисковых фрез. Однако было выявлено, что им присущи значительные недостатки:
- дисковые пилы обладают недостаточной жесткостью и прочностью, легко зажимаются в пропиле;
- при использовании фрез получается широкий пропил и требуется мощный двигатель для привода.

Вследствие этого они не получили дальнейшего распространения.
С появлением в лесу трелевочного трактора и удачным его использованием на лесосечных работах конструкторов лесозаготовительной техники всегда волновала идея создания машины, которая не только бы трелевала хлысты или деревья, но и срезала бы их ходом машины или как позже стали говорить «напроход». Даже появился термин - «безостановочная валка».
Наиболее известные исследования по реализации этой идеи проводились в институте ЦНИИМЭ (рис. 6.10). В результате проведенных исследований было установлено, что наиболее удобны для работы «напроход» кусторезы. Принципиальную идею кустореза заманчиво использовать и для валочной машины: он прост, надежен, не требует отдельного привода, не имеет вращающихся частей. Ho кусторезы могут срезать лишь небольшие деревья - до 20 см, делая к тому же рваный срез со сколами и трещинами по стволу. Попытки срезать крупные деревья кусторезами, смонтированными на мощных тракторах, закончились безрезультатно. В США, например, трактор мощностью 240 л. с. резал, вернее, рвал, деревья диаметром до 50 см.
Однако попытки использовать толкающую силу трактора для резания ножами, не имеющими дополнительного привода, кончились неудачей. Объясняется это тем, что подачи на зуб здесь очень велики - до 15-20 мм, т. е. в 30-50 раз больше, чем у обычных пил. Образующаяся при срезании стружка не может разместиться в пазухах, спрессовывается, достигая 5—7-кратной плотности самой древесины, давит на волокна и разрывает их. Чем выше мощность трактора, тем больше спрессовывается стружка, и интенсивнее разрываются волокна.
Исследуя резание бесприводными ножами, ЦНИИМЭ искал возможность избежать прессования стружки, чтобы добиться срезания деревьев больших диаметров (в макетном образце до 60 см) и получить чистый рез без сколов и трещин. Исследования проводились на элементах режущего органа, которые проверялись на стенде. После длительных поисков была найдена конструкция режущего механизма.
В начале 70-х годов прошлого века на кафедре проектирования специальных лесных машин были проведены экспериментальные исследования, целью которых была проверка возможности использования для срезания деревьев «напроход» баровой пилы, применяющейся в угольной промышленности. Для этих целей был изготовлен на базе трактора ТДТ-40М макет валочно-пакетирующей машины, который кроме трактора включал:
- срезающее устройство - баровую пилу с приводом от автономного двигателя Урал Зис-353А;
- специально сконструированное ударно-импульсное устройство для направленного повала дерева;
- прицеп с пакетирующим устройством в виде наклонной консольной балки и коником.

Срезающее устройство с приводом и двигателем монтировалось на раме тележки, которая на опорных катках с помощью гидроцилиндров имела возможность перемещаться по полкам лонжеронов трактора. Мощное пильное устройство «баровая пила» состояла из шины, ведущей и ведомой звездочек, цепи и механизма натяжения цепи. Зубья серийной цепи были заменены специально разработанными и изготовленными подрезными и скалывающими резцами, обеспечивающие резание древесины. Ударно-импульсное устройство (см. рис. 6.11) включало раму, две направляющих, траверсу, пружину, ударник и замковое устройство с гидроцилиндром.
Работало ударное устройство по такой схеме: при срезании дерева вместе с шиной перемещается ударник. В момент полного отделения комля дерева от пня, с помощью гидроцилиндров разжимается замковое устройство, спускается пружина и траверса с ударником, скользя по направляющим, приходит в движение. По мере разжатия пружины скорость ударника возрастает и в момент удара о дерево достигает максимума.
В результате ударного воздействия дерево падает на приемную балку и скользя по ней пакетируется в коник. Управление всей системы осуществлялось оператором из кабины.
Интересны параметры срезающего устройства:
Ширина пропила, мм - 100...110
Длина шины, мм - 2250
Скорость рабочей цепи, м/с - 3,14-20,8
В результате исследований было установлено:
1. Перерезание стволов без повреждения при выбранной форме подрезных и скалывающих резцов возможно со скоростью резания 3-4 м/с и скоростью надвигания пилы 0,9...1,5 м/с.
2. Срезание деревьев возможно заподлицо, что облегчает последующее лесовосстановление с помощью автоматизированных посадочных агрегатов.
3. С использованием баровой пилы возможно осуществление старой заманчивой идеи - срезание деревьев «напроход», т. е. подача пилы (надвигание на дерево) может осуществляться трактором.
4. Для привода механизма резания типа баровая пила требуется значительная мощность силовой установки.
Дальнейшие работы по изучению процесса резания баровой пилой не производились вследствие отсутствия финансирования.