лесосечные работы

4. КОНСТРУКТИВНЫЕ И ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ ОСОБЕННОСТИ ЗАРУБЕЖНЫХ ЛЕСОЗАГОТОВИТЕЛЬНЫХ МАШИН

В настоящее время парк лесосечных машин отечественного лесного комплекса в значительной мере постоянно обновляется за счет поступлений зарубежной техники. По своим функциональным качествам, проходимости, безопасности и экологичности данные машины обладают повышенной приспособляемостью к выполнению лесозаготовительных работ. Практически все они имеют высокую производительность, надежность, низкие эксплуатационные расходы, хороший дизайн, комфортость и эргономичность рабочего места оператора. Все модели поступаемых машин легко адаптируется к российским условиям, однако отличительной чертой зарубежной техники является ее высокая стоимость по сравнению с отечественной.

Сортиментная заготовка леса производится в основном колесными харвестерными и форвардерными машинами (КХМ и КФМ). Хлыстовая

– колесными и гусеничными харвестерными машинами (ГХМ) и трелевочными колесными машинами (КТМ).

Различные типы машин применяются для выполнения сплошных и промежуточных рубок. Компоновочные схемы основных их типов представлены на рисунке 4.1[32].

Рис. 4.1 – Компоновочные схемы основных типов лесозаготовительных машин

а и б – трелевочные машины (скиддеры) с колесной схемой 4К4, тросо-чокерной оснасткой (а) и грейферным захватом (б); в и г – погрузочно-транспортные машины (форвардеры) с колесными схемами 6К6 (в) и 8К8 (г); д и е – колесные валочнораскряжевочные машины (харвестеры) со схемами 4К4 (д) и 6К6 (е); ж и з – гусеничные валочно-раскря-жевочные машины (харвестеры) с неизменяющимся (ж) и с изменяющимся (з) горизонтальным уровнем платформы и нулевым выступом хвостовой части; и, к и л – гусеничные валочно-пакетирующие машины с неизменяющимся (и, к) и с изменяющимся (л) горизонтальным уровнем платформы и нулевым131 выступом хвостовой части (и, л); м –узкозахватные машины фронтального типа.

Производством лесозаготовительных машин занимаются свыше 30-ти фирм Западной Европы и Северной Америки. Из них по количеству но- мен-клатуры выпускаемых машин выделяются компании John Deere, Logset, Ponsse, Rottne, Tigercat, Timber Pro и Valmet. Лидирующее положение занимает John Deere (бывшая Timberjaek). Каждая 4-я машина парка лесозаготовительной техники за рубежом выпущена этой компанией.

В модельном ряде машины отличаются не только параметрически, но во многих случаях и компоновочными решениями. В целом внешняя компоновка машин имеет кубическое построение с доминирующим возвышением кабины оператора. Моделям каждой фирмы присущ свой характерный облик и свой фирменный цвет. Проработка внешних форм выполнена как с дизайнерских позиций, так и прочностных. Элементы моторного капота и кабины у большинства моделей выполнены с использованием овальных поверхностей. Особо следует отметить внешний дизайн моделей КХМ и КФМ компании Ponsse и последних моделей John Deere, которые характеризуется плавными линиями внешнего вида.

4.1. Колесные лесозаготовительные машины

4.1.1. Общая характеристика колесных машин

Зарубежный парк лесозаготовительной техники в большинстве состоит из колесных машин. По сравнению с гусеничными они имеют следующие преимущества:

•дешевле в изготовлении и более низкие эксплуатационные расходы;

•широкий диапазон рабочих и транспортных скоростей движения;

•щадящее воздействие на лесную среду;

•меньшая металлоемкость;

•самостоятельное перемещение по дорогам общего назначения.

Данная техника является внедорожными полноприводными машинами с колесными схемами 4К4, 6К6 и 8К8 (рис. 4.1). В общем виде они представляют собой двухмодульную компоновку с шарнирно сочлененной рамой. Модули имеют энергетическое и технологическое назначение. Исключение составляет узкозахватная валочно-пакетирующая машина фронтального типа.

Энергетические установки. В качестве энергетических установок используются 4-х и 6-и цилиндровые дизельные двигатели с турбонаддувом . Применяется модели с мощностным диапазоном 70,0…230,0 кВт и частотой вращения вала 1900…2500 мин-1. Основными производителями двигателей являются компании John Deere, Caterpillar, Cummins,

132

Mercedes-Benz, SISU, Perkins, IVEKO. На машинах John Deere и Caterpillar применяются двигатели собственного производства. На всех машинах компании Ponsse используются двигатели компании MercedesBenz, а на машинах Logset – компании Perkins. Большое распространение имеют двигатели компании Cummins. Они установлены на машинах компании Tigercat, Ranger, Trее Farmer и др. Компании Valmet, Sampo и Logman предпочитают устанавливать двигатели SISU.

На 170-ти моделях лесных машин применяется около 60-и различных моделей двигателей 13-ти компаний. Большой выбор моделей двигателей позволяет каждой машине иметь энергетическую установку, обеспечиващуюреализацию потенциальных возможностей при выполнении производственных процессов.

Диапазон крутящего момента двигателей составляет 400…1300 Нм, который они развивают при частоте вращения коленчатого вала 1200…1900 мин-1. Наибольший крутящий момент имеют 6-ти цилиндровые двигатели компаний SISU и John Deere, устанавливаемые на КХМ. Коэффициент запаса двигателей по крутящему моменту лежит в диапазоне 1,20…1,52. Максимальные значения имеют двигатели John Deere, Caterpillar и Cummins. Повышенный крутящий момент обеспечивает:

•на КТМ подъем тяжелых пачек древесины, быстрое трогание с места, а также перемещение в сложных условиях местности;

•на КХМ одновременное включение моторов протяжки харвестерной головки и использование функции манипулятора;

•на КФМ одновременное перемещение машины с использованием

работы манипулятора.

Кроме того, повышенный крутящий момент позволяет либо сократить количество передач, либо при том же количестве передач уменьшить частоту переключений при выполнении КТМ технологического процесса.

Трансмиссии. В лесных колесных машин трансмиссии представлены следующими типами: механическая, механико-гидродинамическая и механико-гидростатическая. Первые два типа применяются на КТМ. Третий – на харвестерных и форвардерных машинах. Выбор типа трансмиссии обусловлен назначением машины, природно-производственными условиями (ППУ) и лесоводственно-экологическими требованиями.

Для реализации высоких тяговых усилий и поддержания необходимых скоростных режимов в условиях хорошо несущих почво-грунтов, на которых колесные машины передвигаются с низкой степенью буксования, и при коротком и среднем расстоянии трелевки применяют КТМ с классической механической трансмиссией и возможностью переключения передач под нагрузкой. Данный тип трансмиссии обладает наименьшими потерями мощности, обеспечивая тем самым работу КТМ в рас-

133

сматриваемых условиях с лучшими значениями технико-экономических показателей, чем машины с механико-гидродинамическими трансмиссиями. На трелевочных машинах устанавливаются многоступенчатые коробки передач (КП), что позволяет при движении по часто изменяющейся пересеченной местности с пачкой леса большого объема выбрать необходимую передачу, обеспечивающую реализацию потенциальных возможностей двигателя в рациональные тягово-скоростные режимы движения машины. Так, на моделях КТМ компании John Deere устанавливается КП со сближенными передаточными числами и, состоящая из 8-ми передач переднего хода и 7-ми –заднего.

В сложных условиях работы на почво-грунтах с низкой несущей способностью и крутых склонах, где движение КТМ должно быть с минимальным буксованием, обеспечено его плавное трогание и бесступенчатое изменение тягового усилия, наибольшую эффективность имеют механико-гидродина-мические трансмиссии. При использовании данной трансмиссии временные и энергетические затраты, связанные с буксованием, имеют минимальные значения. Она хорошо поддерживает рациональные нагрузочно-скоростные режимы при трелевке леса на большие расстояния. Отсутствие буксования благоприятно сказывается на сохранении почвенного покрова. В данных трансмиссиях устанавливают гидротрансформаторы обычно с 4-х скоростной КП с изменением передач на ходу. Она хорошо согласует мощность, развиваемую двигателем, с величиной нагрузки и состоянием почвенно-грунтовых условий.

Механико-гидростатическая трансмиссия обеспечивает бесступенчатую регулировку тягового усилия машины и мягкую реакцию на препятствия, возникающие при движении в условиях лесосеки. Эти возможности трансмиссии в полной мере удовлетворяют технологические, лесоводственные, экологические и эргономические требования, связанные с перемещением машины по вырубке. Современные модели харвестерных и форвардерных машин почти все выпускаются с данным типом трансмиссии. Механическую часть трансмиссии обычно представляют двухдиапазонные КП, обеспечивающие нагрузочно-скоростные режимы внедорожного и дорожного движения машин.

Наиболее совершенной является бесступенчатая гидростатическая трансмиссия. Такую трансмиссию имеют КТМ серии С компании Tigercat. С помощью электронного управления и возможности гидростатики происходит автоматическое изменение оборотов двигателя и плавное изменение скорости вращения колес. При движении машины колеса удерживают скорость, заданную педалью управления гидростатическим приводом, независимо от требующегося для трелевки тягового усилия. При достижении максимальной мощности скорость сбрасывается автоматически. Устойчивое и постоянное тяговое усилие позволяет машине

134

работать с минимальной пробуксовкой колес. В результате уменьшается вредное воздействие на почвенный покров, увеличивается срок службы шин, уменьшается нагрузка на механизм привода, экономится топливо и повышается производительность, особенно при работе на крутых склонах и мягких почво-грунтах.

Колесная схема. Машины с простыми одноосными мостами имеют колесную схему 4К4. На машинах со схемой 6К6 установлен один такой мост, а второй – с балансирной тандемной тележкой. На 8-ми колесных машинах оба моста выставлены на тандемные тележки. У большинства моделей машин планетарный редуктор расположен внутри колеса. У всех типов машин мосты имеют дифференциалы с гидравлической блокировкой, включаемой на ходу. Привод заднего моста у харвестерных и форвардерных машин отключается при движении на повышенном скоростном режиме.

Природно-производственные условия работы лесных машин характеризуются большой изменчивостью макро- и микрорельефа, многочисленностью единичных пороговых препятствий в виде пней, валунов канав и т.п., распространенностью почво-грунтов с низкой несущей способностью, ранимостью почвенного покрова, а также корневой системы не подлежащих рубке деревьев. Данная сложность условий диктует повышенные требования к проходимости и устойчивости движения машин и минимизации воздействия на лесную среду.

Шарнирное соединение. Шарнирное соединение технологического и энергетического модулей играет важную роль в обеспечении проходимости и устойчивости машин.

Вертикальный шарнир служит для поворота машины за счет складывания рамы. Для этого используется поворотный механизм, состоящий из двух гидроцилиндров. Благодаря этому колеса заднего моста меньше “срезают” повороты. В зависимости от типа машин угол поворота составляет обычно ± 40…45º. Управление поворотом осуществляется на КТМ с помощью рулевого колеса, на КХМ и КФМ – ручного манипулятора типа “джойстик”.

Горизонтальный шарнир обеспечивает поперечную устойчивость машин, которая является одной из важнейших составляющих их проходимости. Для постоянного контакта всех колес с поверхностью движения на КТМ John Deere и Caterpillar роль горизонтального шарнира выполняет передний качающийся мост. Угол его наклона составляет ±15º. Данное конструктивное решение повышает работоспособность КТМ на местности с часто меняющимся рельефом и создает более благоприятные условия работы оператора.

135

Подвески колес. Применяются для сглаживания влияния неровностей местности с целью придания КХМ и КФМ более устойчивого и плавного движения, а также снижения давления на почву.

Рис. 4.2 - Приспособляемость балансирной тандемной тележки к прохождению сложных неровностей

Наибольшее распространение имеет балансирная подвеска колес с помощью тандемных тележек. Данные тележки устанавливаются на машинах с колесной схемой 6К6 и 8К8. В большинстве случаев на тандемных тележках крутящий момент сбалансирован между передними и задними колесами на каждой оси, обеспечивая тем самым рациональное распределение нагрузки по опорной поверхности. Это дает возможность достичь существенных тяговых усилий. Приспособляемость балансирной тандемной тележки к прохождению сложных неровностей представлена на рисунке 4.2.

КХМ компаний Caterpillar и ЕСО LOG, харвестер Н-8 фирмы Rottne оборудованы ходовой системой с независимой маятниковой подвеской каждого колеса и каждой балансирной тележки с гидравлическим управлением. Данная подвеска обеспечивает высокую проходимость в условиях сложного рельефа. Система стабилизации сохраняет постоянную ширину машины независимо от ее наклона. Наряду с выравниванием машины как в продольной плоскости, так и в поперечной большой маятниковый ход может создавать высокий дорожный просвет до 115 см для преодоления единичных препятствий. Кроме того, маятниковая под-

136

веска дает возможность компенсировать опрокидывающий момент при работе машины на полном вылете стрелы или на склоне.

Проем дорожного просвета машин увеличивают за счет расположения конечных передач внутри обода колеса, портальной конструкции тандемных тележек и колес большого диаметра. Клиренс у всех типов машин колеблется от 500 до 700 мм. Все эти качества и гладкая броня днища без раскосов (рис. 4.2) снижают вероятность столкновения с единичными препятствиями (пнями, скальными выходами и т.п.), повышая тем самым проходимость машины и обеспечивая ей уменьшение потребности в маневрировании.

Рабочие и вспомогательные тормоза. На всех типах машин рабочие и вспомогательные тормоза установлены в ободе колес. Все типы тормозов являются многодисковыми саморегулирующимися и включаются автоматически после прекращения нажатия на педаль акселератора. Тормоза работают в герметичной масляной ванне, охлаждаются маслом и приводятся в действие гидравлически. Они идентичны на обоих мостах. Стояночные и аварийные тормоза также автоматические и многодисковые в масляной ванне, приводятся в действие пружинами и отключаются гидравлически. На КТМ компании Caterpillar эти тормоза механические колодочного типа.

Рабочие гидросистемы машин. В рабочих гидросистемах используются аксиально-поршневые насосы переменной производительности, чувствительные к нагрузке распределители и оптимизированные гидравлические магистрали. Системы управления обычно имеют единый гидравлический контур. Однако на ряде КХМ применяются отдельные контуры для харвестерной головки и гидроманипулятора. Гидросистемы машин имеют компьютеризованное управление.

Для очистки масла применяются фильтры с высокой пропускной способностью и фильтрацией частиц до 10 микрон, а его охлаждение производится через принудительную циркуляцию. Благодаря этому обеспечивается наивысшая чистота масла и сохраняется его оптимальная температура при любых условиях.

Рабочее давление гидравлической системы у КТМ равно 20,7 МПа. На КФМ диапазон данного давления составляет 18,5…24,0 МПа, а на КХМ - 20,0…25,0 МПа. На харвестере 1270D компании John Deere устанавлена гидросистема с двойным рабочим давлением 24,0/28,0 МПа. Она создает увеличенный поток масла для повышения скорости выполнения операций. Это обеспечивает высокую производительность в ситуациях, когда в короткий промежуток времени требуется повышенная мощность. Например, при пилении или в начале протяжки ствола. Высокое давление создает большую мощность для процесса протяжки, помогает избе-

137

жать расщепления ствола и пробуксовки, что прямым образом влияет на качество продукции.

В качестве рабочей жидкости гидросистемы многие производители рекомендуют применять биологически разлагающиеся масла и предлагают устанавливать вакуумный насос, предотвращающий утечку масла в почву при разрыве трубопроводов.

Шины. Применяемые на лесных машинах шины отличаются большим разнообразием. Это специальные лесные шины компаний Nokian, Trellеborg, Goodyear и др. Для уменьшения давления на почвогрунт они изготавливаются большого диаметра и ширины, а для повышения прочности армируются кордом и стальной проволокой. Лесные шины обычно имеют ширину 600…750 мм. Характерный рисунок протектора лесных шин позволяет им увеличить силу тяги, хорошо самоочищаться и минимально воздействовать на почвенный покров. Рисунок протектора бывает двух типов. Шины с высокими и редкими грунтозацепами рекомендуются для работы на скользких и переувлажненных почво-грунтах, когда требуется большое тяговое усилие. Однако шины с таким протектором дают более сильное повреждение почвы. Шины с насыщенным рисунком протектора по своему воздействию на лесную среду работают обычно в щадящем режиме. Их рекомендуется применять на почво-грунтах с хорошей проходимостью.

Для увеличения проходимости и тягово-сцепных качеств машин в резко меняющихся лесных условиях применяют цепи противоскольжения (рис. 4.2) и колесные гусеницы. Их выбирают с учетом состояния поверхности движения, конструкции машины и режимов движения. Основными производителями данной продукции являются компании Gunnebo, BABAC, Olofsfors. Тяговое усилие КТМ с цепями противоскольжения увеличивается на 17…22 %. Гусеницы устанавливаются на колеса тандемных тележек. Их применение является эффективным средством снижения нормального давления машины на почво-грунт (в 1,5…2,5 раза). В то же время следует отметить, что сопротивление движению машины без гусеничных цепей и цепей противоскольжения значительно ниже.

Информационная система. В стандартную комплектацию машины входят бортовой компьютер с запоминающим устройством, цветным монитором и принтером, а также средства передачи данных посредством мобильной связи. Информационная система состоит из системы управления самой машины и системы управления заготовкой древесины. В первую систему входят элементы для управления состоянием и функциями агрегатов и механизмов. Элементы второй системы делают машину звеном лесозаготовительного процесса.

138

Система управления машиной дает возможность контролировать и регулировать распределение мощности, функции манипулятора и харвестерной головки. Она помогает оператору в соответствии со своими навыкам выбрать рациональную скорость движения машины, параметры работы манипулятора и пилы, сообщает о неисправностях и о техническом состоянии машины.

Система управления заготовкой древесины обеспечивает обмер древесины измерительными приборами в ходе рубки и получения с делянки нужных сортиментов в необходимом соотношении. При этом управляющие воздействия могут осуществляться на основании постоянного обмена данными между машиной и офисом предприятия. Развитие технологии передачи данных создали предпосылки для более плотного включения машин в информационную систему лесосырьевого снабжения.

Эргономические показатели. Кабины последних поколений машин спроектированы с максимальными удобствами для работы оператора Разработчики удачно сумели совместить функциональность и комфорт рабочей среды. Дизайн салона рассчитан на операторов разного роста и обеспечивает комфорт на протяжении всего рабочего дня. Все кабины просторны, с хорошей освещенностью рабочего места. Тонированные противоударные стекла окон большой площади обеспечивают круговой обзор рабочей зоны. Звукоизоляция ограничивает уровень шума во время работы машины до 70 дБ, что соответствует стандарту ISO. Отличная герметизация позволяет успешно применять климатические установки, которые поддерживают на заданном уровне обогрев и кондиционирование воздуха. Все кабины установлены на амортизаторах, которые обеспечивают низкий уровень вибрации.

Компоновка кабины выполнена с учетом выбора наилучшей позиции расположения оператора, как при выполнении технологических операций, так и при движении машины. На пневноподвеске установлено удобное, полностью регулируемое кресло оператора с электроподогревом. Основные органы управления вмонтированы в подлокотники кресла и являются как бы продолжением рук оператора.

Безопасность большинства моделей машин отвечает всем стандартам лесных машин и прошли тесты на конструкцию защиты операторов (ROPS, FOPS, OPS). Кабины трелевочных тракторов, кроме того, имеют защитные ограждения. В качестве примера на рисунке 4.3 представлены условия работы оператора КХМ 770 D компании John Deere.

Эргономике технического обслуживания и ремонта уделено большое внимание в конструкции. Модульная конструкция механизмов и агрегатов ускоряет процесс ремонта. При этом снятие отдельных узлов производится без демонтажа соседних компонентов. Все точки ежеднев-

139

ного обслуживания имеют легкий и безопасный доступ. Для обслуживания капот двигателя сдвигается, кабина с помощью гидропривода поднимается и наклоняется в сторону. Обслуживаемые агрегаты и механизмы хорошо освещены. Аккумуляторные батареи обычно установлены в одном из бортовых отсеков на легко выдвигаемом столе. Легко открываемые бортовые отсеки с выдвигаемыми столами являются удобным хранилищем для запасных частей и тяжелой оснастки.

Рис. 4.3 Условия работы оператора колесной харвестерной машины 770 D компании John Deere

4.1.2. Колесные харвестерные машины

Современная сортиментная заготовка леса проводится с широким применением колесных харвестерных машин (КХМ). Это многофункциональные лесные комбайны, которые предназначены для валки деревьев, очистки их от сучьев, раскряжевки хлыстов на сортименты с одновременным измерением их объёма, сортировкой и укладкой в пачки. Все модели КХМ имеют двухмодульную компоновку. Энергетический и технологический модули шарнирно соединены между собой. Характерная компоновка современных КХМ представлена на рис. 4.4. На энергетическом модуле установлена моторная установка машины, а на технологическом модуле – гидроманипулятор с подвешенной харвестерной головкой. На технологический модуль приходится 51,0…65,0% всей массы КХМ. Это положительно влияет на устойчивость машин, следовательно, на повышение производительности. Сейчас выпускаются более

140