2.5.2Валочно-пакетирующие машины (впм)

Созданию валочно-пакетирующих и валочно-трелевочных машин предшествовало создание валочной машины ВМ-4, которая предназначалась для применения, прежде всего, в крупномерных древостоях. Она была сконструирована на базе гусеничного трелевочного трактора ТТ-4 (см. подраздел 2.3.3). После ее использования было установлено, что при небольшой реконструкции она может не только валить лес, но и трелевать, что более рационально. Поэтому в скором времени она была преобразована в валочно-трелевочную машину ВМ-4А. Могла она работать и в режиме валочно-пакетирующей машины, укладывая с помощью поворотного рычага срезаемые деревья не в коники, а на грунт в пакет. Однако наибольшее распространение для машинной валки леса и пакетирования получили ВПМ манипуляторного типа.

В производстве много лет применяется валочно-пакетирующая машина ЛП-19 (рис.34), которая в дальнейшем постоянно совершенствовалась и соответственно имеет несколько модификаций: ЛП-19А, ЛП-19Б-01, ЛП-19В, ЛП-19Ф.

Валочно-пакетирующая машина ЛП-19 предназначена для спиливания деревьев и укладки их в пачки, удобные для трелевки. Она может быть использована в насаждениях с максимальным диаметром дерева на высоте груди 60 см, в равнинной местности с уклонами не более 8° и грунтами, обеспечивающими проходимость трелевочных тракторов. Узлы машины смонтированы на уширенном шасси трелевочного трактора ТТ-4 с использованием поворотной платформы от экскаватора ЭО-4121. Машина состоит из ходовой системы, опорно-поворотного устройства, поворотной платформы, на которой установлены кабина машиниста, силовая установка и гидросистема, закрытые капотами. На поворотной платформе установлен манипулятор, состоящий из стрелы, рукояти и захватно-срезающего устройства (ЗСУ), представляющего собой вертикальную стойку, захваты и срезающий цепной механизм. Оно предназначено для удержания дерева в процессе спиливания и переноски его к месту укладки после того, как оно срезано (спилено). Мощность двигателя 95,6 кВт, максимальная грузоподъемность 3,2 т при максимальном вылете 8 м, масса 24,3 т.

В машине ЛП-19А усилены конструкции стрелы, рукояти, поворотной платформы и некоторых других узлов, улучшены условия труда и безопасность работы за счет совершенствования наружного освещения, введения обогрева кабины и ее вибро- и звукоизоляции, установки защиты трубопроводов и гидромотора пильного механизма, применения двухскоростного механизма и новых тормозов на механизмах передвижения. Предусмотрен выход машиниста, управление пильным механизмом перенесено на педаль, а для обучения операторов можно применять двухместную кабину.

Машины ЛП-19 и ЛП-19А целесообразно использовать на крупных лесосеках (как правило, не менее 50 га) для концентрации на них трех-шести валочно-пакетирующих машин, необходимого количества трелевочных средств, двух-трех самоходных сучкорезных машин, средств технического обслуживания машин и бытового обслуживания, персонала, занятого на лесосеке, организации радиосвязи.

Модель ЛП-19Б-01 лучше сохраняет лесную среду из-за увеличенного (до 9,9 м) вылета манипулятора. Облегченное захватно-срезающее устройство и новый тип манипулятора позволяют применять машину при несплошных рубках. Для выполнения проходных и сплошных рубок в тонкомерных лесах дополнительно рекомендуется захватно-срезающее устройство с накопителем на два-три дерева. ВПМ типа ЛП-19Б-01 с захватно-срезающим устройством выполняет три функции: спиливание, укладку и подсортировку срезанных деревьев в две-три пачки: Производительность такой машины до 200 м³/смену. Узлы машин смонтированы на уширенном шасси трелевочного трактора ТТ-4 с использованием поворотной платформы от экскаватора ЭО-4124.

С 1995 года выпускается машина ЛП-19В, оснащенная унифицированной поворотной платформой (возможны пневмоколесный и болотоходный варианты компоновки транспортно-энергетического модуля). Разрабатывая полосу шириной 16…20 м, машина полностью сохраняет подрост и не травмирует почву в лесу, благодаря низкому давлению на грунт. В ней применяются планетарные приводы механизмов передвижения и поворота платформы. По желанию заказчика она может быть оснащена несколькими типами рабочею органа: ЗСУ без накопителя; ЗСУ с накопителем срезанных тонкомерных деревьев; ЗСУ с ножевым органом либо с дисковой фрезой; погрузочным оборудованием. Разработан новый тип машины с выравнивателем полноповоротной платформы. Такая машина способна работать на склонах с уклоном до 30°, то есть в холмистой и горной местности.

Машина ЛП-19В постоянно совершенствуется. В настоящее время масса ЛП-19В составляет 24 т, мощность двигателя 96 кВт, грузоподъемность 3,2 т при вылете стрелы манипулятора 8 м. Ее оригинальный цепной пильный аппарат позволяет срезать деревья диаметром до 90 см без повреждения комлевой части. Пильная цепь ПЦУ-1 с шагом 30 мм и шириной пропила 24 мм обладает высокой прочностью, надежностью и долговечностью. Ресурс одной пильной цепи рассчитан на валку 8 тыс.м³ леса.

На базе машины ЛП-19Б-01 созданы такие машины МЛ-73 и ЛП-19Ф. Машина МЛ-73 по сравнению с базовой имеет увеличенный до 10 м вылет манипулятора, облегченное захватывающее устройство и коник-накопитель (прицеп). Указанные изменения в конструкции машины приведены с целью ее использования в низкобонитетных насаждениях северной зоны тайги с учетом небольшого объема хлыста. Машины ЛП-19Ф отличается от базовой тем, что вместо ЗСУ с пильной цепью в ней используется головка канадской фирмы «FMC-Timberjeck» с режущей быстро вращающейся фрезой. Машина способна срезать деревья диаметром до 51 см и имеет накопитель, в котором размещается от 1 до 5 срезанных деревьев.

Для работы в условиях Севера и Сибири и в лесозаготовительных центрах России можно использовать машину ЛП-60-01А «Абакан» на местности с уклонами до 8º и с различными модификациями сменного оборудования – захватно-срезающим устройством, погрузочным оборудованием, захватом для сортиментов. Рекомендуется для работы на несплошных рубках.

Просторная кабина с прекрасным обзором, благодаря установке специальных упроченных стекол, выдерживает удар падающих сучьев и вершин деревьев, имеет регулируемое кресло, удобную систему управления, может оснащаться кондиционером, обеспечивающим работу в диапазоне температур от минус 40 до +40 °С.

Принципиально эта новая валочно-пакетирующая машина превосходит по своим характеристикам аналоги отечественных производителей. Авиационная гидравлика машины делает неуязвимым ту систему, которая у конкурентов является слабым звеном, вызывающим нарекания эксплуатационников. Просторная кабина улучшенной конструкции с отрицательным наклоном лобового стекла, регулируемым креслом, оснащена радиаторным типом отопления и принудительной вентиляцией.

Для северных районов, где преобладают тонкомерные насаждения, выпускается валочно-пакетирующая машина ЛП-60 массой 21 т и грузоподъемностью 1,6 т. Ее цепной пильный аппарат может срезать деревья диаметром до 65 см.

Валочно-пакетирующая МЛ-119А (рис. 35), предназначена для валки деревьев и укладывания их в пакеты при сплошных вырубках со средним объемом хлыста до 1 м³. Машина может эксплуатироваться в равнинной местности с уклоном до 8º на грунтах с несущей способностью до 70 кПа. при глубине снега до 1 м и температуре от минус 40 до +40°С.

Машина может комплектоваться кроме стандартного с вылетом 8 м манипулятора и удлиненным – с вылетом 9,25 м. Мощность двигателя составляет 125 кВт, грузоподъемность при наибольшем вылете 2,5…3,2 т, наибольший диаметр срезаемого дерева 0,9 м.

Валочно-пакетирующая машина МЛ-135 (рис.36) предназначена для валки деревьев и укладывания их в пакеты при сплошных рубках. В машине использован мощный двигатель с хорошим ресурсом – двигатель ЯМЗ-238 М2 (мощность – 165 кВт), который обеспечивает хорошую динамику и тяговые характеристики машины. Машина имеет хорошую эргономику: комфортабельная, хорошо защищенная кабина с увеличенной обзорностью и без традиционных решеток; современная контролирующая и диагностирующая аппаратура с жидкокристаллическим дисплеем; плавность и точность управления не требует значительных усилий оператора. Следует также отметить щадящий режим перемещения движителя, выражающийся в сравнительно низком удельном давлении на грунт – от 40 до 55 кПа при ширине гусеницы от 60 до 90 см. В машине предусмотрено накапливание в захватно-срезающем устройстве до пяти деревьев диаметром до 20 см, что обеспечивает производительность машины до 170 деревьев в час.

Машина ВПМ-35 предназначена для валки и пакетирования деревьев на рубках ухода (прореживания и проходных рубках) в равнинной местности. Выполнена на основе ВПМ ЛП-2 на базе трактора ТДТ-55. Имеет одну кабину и пакетоформирующее устройство для подсортировки деревьев по диаметрам в процессе формирования пачки. ЗСУ оборудовано приспособлением для накапливания деревьев в процессе захвата.

Машина МТП-13 предназначена для валки и пакетирования мелкого леса на площадях, отведенных под добычу торфа, строительство и др. Ее можно применять в тонкомерных лесонасаждениях и при реконструкции малоценных молодняков. Навесное технологическое оборудование со стрелой, ЗСУ и пакетирующим устройством выполнено на базе экскаватора МТП-71. Механизм срезания представляет собой дисковую фрезу со вставными режущими зубьями.

За рубежом наибольшую известность имеют валочно-пакетирующие машины фирмы «Тимберджек» (рис. 37), в которых используется в основном гусеничный двигатель с шириной гусениц от 600 до 1118 мм, что позволяет иметь среднее давление на грунт от 30 до 64 кПа. Это позволяет им работать на лесосеках с низкой несущей способностью.

ВПМ различных модификаций этого концерна серии 600 эффективно работают как на промежуточных, на сплошных рубках, так и на сплошных рубках, имеют мощности двигателей от 100 до 175 кВт, максимальный вылет манипулятора от 7 до 8,5 метра. Двигатель у этих машин расположен внизу между гусеницами для максимальной устойчивости и исключения его вращения вместе с поворотной платформой. Это значительно уменьшает ее габариты и делает машины более маневренными при несплошных рубках. Отличительной особенностью данных машин является наличие наклонного механизма, с помощью которого при уклонах до 50º ЗСУ и кабина вместе с поворотной платформой выравниваются до горизонтального положения и могут работать на максимальном вылете манипулятора с обеих сторон машины.

Взамен машин серии 600 (618 и 620) фирмы «Тимберджек» стали выпускать машины нового поколения – «Тимберджек-850» и «Тимберджек-950», имеющие двигатели мощностью 153 кВт и 171 кВт соответственно. Машина «Тимберджек-850» предназначена для работы со средним древостоем, а машина «Тимберджек-950» – в крупномерном, обеспечивая максимальный диаметр комлевого среза 61 см. Машины комплектуются несколькими типами гусениц с одинарным, двойным и тройным грунтозацепами. При ширине гусениц 91 см с тройными грунтозацепами удельное давление на грунт составляет всего 43 кПа, что позволяет машине работать на переувлажненных почвах.

Конструкции ЗСУ зарубежных ВПМ, как правило, позволяют накапливать спиленные деревья даже у неманипуляторных машин, то есть с непосредственной навеской ЗСУ на базовый трактор.

Последние еще применяются в США и Канаде, например, фирмы «КЛАРК». В качестве режущего органа на зарубежных ВПМ наряду с пильными цепями применяют высокоскоростные дисковые пилы постоянного вращения, фрезы, реже ножи силового резания. Все зарубежные ВПМ отличает повышенная комфортность управления и более высокая цена.

С помощью ВПМ кругового действия возможны следующие основные способы валки и пакетирования деревьев: валка деревьев с укладкой их в пачки, располагаемые под углом 20...30° или 90° к направлению движения машины и сзади машины параллельно направлению ее движения. Обязательным условием при трелевке тракторами с пачковым захватом является расположение пачек комлями в направлении трелевки. ВПМ при разработке ленты леса движется по ее оси. Во время срезания осуществляется натяг дерева для избежания зажима пильной шины. При повороте платформы вылет манипулятора не должен превышать 5 м, а дерево наклоняется в сторону машины, чтобы его крона не задевала стоящие деревья. Дерево укладывают в пачку, предварительно наклонив его до 45° к горизонту, при этом ЗСУ должно находиться от земли на высоте не более чем 1,5 м.

Разрабатывать лесосеки с применением валочно-пакетирующих машин рекомендуется по одной из следующих схем.

В схеме с прямолинейными ходами по лентам, перпендикулярным усу, машина разрубает пасечные ленты, последовательно удаляясь и приближаясь к усу. По концам лент машина разворачивается и смещается на расстояние, равное ширине ленты. Трелевка пачек ведется вдоль пасечных лент по следу валочно-пакетирующей машины.

В схеме с движением по кругу машина начинает разработку делянки, перемещаясь по лентам на границах делянки, и укладывает пачки под углом за собой или впереди себя в зависимости от направления последующей трелевки. Благодаря большому фронту работ при разработке делянки по этой схеме можно за счет маневрирования трелевочного трактора обеспечить постоянный безопасный разрыв между машиной и трактором. Уменьшается количество разворотов.

При строгом выдерживании ширины и параллельности лент и укладке пачек сзади по оси волока машина может работать с частичным сохранением подроста. В этом случае все ленты разрабатываются ходами машины только по направлению трелевки. При хороших грунтовых условиях, позволяющих строить густую сеть усов, работа машины может быть организована с трелевкой пачек на два уса без холостых переходов. Протяженность усов при этом увеличивается вдвое.

При слабых грунтах, затрудняющих строительство усов, разработка пасечных лент с частичным сохранением подроста ведется только в направлении трелевки к усу. Холостые заходы в дальний конец делянки машина делает по одной из свободных пасечных лент.

Машина может укладывать пачки под любым углом по отношению к направлению своего движения. Для трелевки наиболее удобны углы укладки пачек в пределах 20…30° по отношению к продольной оси трелевочного трактора.

Объемы формируемых машиной пачек определяются запасами древесины на 1 га и крупномерностью деревьев. Регулировать объемы пачек при имеющихся на лесосеке запасах леса и объемах хлыстов можно лишь изменением ширины пасечной ленты и расстояниями переездов со стоянки на стоянку.

Развитие электроники и использование в навигации микропроцессов в настоящее время позволили поставить вопрос о создании специальных роботов, выполняющих операции валки леса и пакетирования спиливаемых деревьев. Пути создания таких роботов исследовались в Иркутском филиале ЦНИИМЭ. Ими была учтена специфика лесосечных работ, которая заключается в том, что на лесосеке имеются стационарные препятствия в виде деревьев и других предметов (пни, камни, ямы и т.д.), и работ должен ориентироваться таким образом, чтобы избежать столкновения с препятствиями, срезать и укладывать на грунт деревья. Для этого робот оснащается дальномерными приборами, сканирующими устройствами, микропроцессорами с исполнительными датчиками и т.д. Актуальным является использование роботов на склонах крутизной выше 15º, где обычные ВПМ не смогут работать.

Принцип действия лесопромышленного робота можно рассмотреть на модели ЛРШ-3 (рис. 38). Этот робот предназначен для работы в крупномерных лесонасаждениях на крупных склонах гор. Он состоит из активного и пассивного манипуляторов, захватно-срезающего устройства и опоры в виде гидроцилиндра с площадкой.

Лесопромышленный робот ЛРШ-3 работает следующим образом. Устройство доставляется на лесосеку и крепится пассивным манипулятором к дереву. Затем согласно программе робот, используя тактику первой группы, начинает поиск деревьев (препятствий) с помощью активного манипулятора, который вращается на шарнире вокруг телескопической стойки в горизонтальной плоскости. Как только дерево обнаружено, вступает в работу захватно-срезающее устройство, которое, перемещаясь в вертикальной плоскости, зажимает ствол дерева. Сразу же на грунт с помощью телескопической стойки опускается опорная плита, а затем начинает вращаться с помощью шарнира опора в виде гидроцилиндра с площадкой, и как только ее продольная ось совпадает с осью активного манипулятора, площадка опоры опускается на грунт.

Затем пильным органом ствол дерева отделяется от корневой системы, и активный манипулятор укладывает его на грунт в пачку деревьев. В момент укладки устойчивость лесопромышленного робота обеспечивается пассивным манипулятором, закрепленным за дерево, и опорой в виде гидроцилиндра с площадкой, опирающейся на грунт. Активный манипулятор, вращаясь вокруг телескопической стойки, срезает в рабочей зоне все деревья и укладывает их в пачку.

Для перемещения лесопромышленного робота в новое положение телескопической стойкой поднимается с грунта опорная площадка, которая, вращаясь вокруг телескопической стойки, устанавливается в новое положение.

Для расчета производительности валочно-пакетирующих машин можно использовать ту же формулу, которая применяется для расчета производительности машинной трелевки, но вместо объема трелюемой пачки следует брать объем пакета (средний объем 1…2 м³). Цикловое время при работе ВПМ составляют из следующих элементов:

,

где  – время наведения захватно-срезающего устройства машины на дерево, его захват и натяг;

 – время на срезание дерева;

 – время на перенос дерева и его укладку в пакет;

 – время на перемещение машин с одной технологической стоянки на другую.

Значения составляющих времени цикла , и можно определить так же, как и для валочной машины (формулы (29) и (30)).

Время на перенос дерева и укладки его в пакет определяется по формуле

,

где – средний угол поворота манипулятора с ЗСУ от места срезания дерева до места укладки его в пакет, рад;

– коэффициент, учитывающий время укладки дерева в пакет, принимаемый равным 1,2…1,4;

– угловая скорость поворота манипулятора, выбираемая в пределах 0,05…0,3π, рад/с;

– коэффициент, учитывающий затраты времени на подготовку к повороту и маневрирование ЗСУ с деревом, =1,1…1,2.

Следует отметить особенность определения величины применительно к валочно-пакетирующим машинам. Если при трелевке все составляющие времени цикла находят применительно к объекту труда – пачке лесоматериалов, то для ВПМ составляющие , и находятся относительно обработки одного дерева, а – пакета, т.к. только после полного набора пакета происходит перемещение машины. Поэтому здесь величину тоже надо соотнести к одному дереву и ее значение соответственно будет меньше во столько раз, во сколько объем дерева меньше объема пакета, т.е.

где будет соответствовать значениям времени перемещения машины относительно пакета.

Производительность валочно-пакетирующих машин в смену составляет: ЛП-19 – до 270 м³; а на крупномерном лесе – до 350 м³; ВПМ-35 и МТП-13 – до 50 м³.