Технологии горной лесозаготовки





Важность лесной отрасли для экономики страны непрерывно растет. В последние годы усилилось международное соревнование за повышение конкурентоспособности лесного хозяйства по двум основным направлениям: инновационные лесоматериалы и инновационные технологические процессы.

Древесное сырье как продукт потребления имеет ограниченный потенциал для инновации. К тому же за последние десятилетия на европейском рынке продуктов леса наблюдается тенденция к стабилизации цен на лесоматериалы и фанеру. С другой стороны, растет стоимость заготовки древесины, особенно на лесных территориях со сложными природными условиями, где ручной труд является необходимой частью технологического процесса лесозаготовки. В связи с этим изменения в технологии лесозаготовки, улучшения их экологической безопасности стали движущей силой для экономического развития и повышения конкурентоспособности продукции лесного хозяйства.

Виды технологий горной лесозаготовки

В течение последних десятилетий технологический процесс лесозаготовки стремительно менялся: от использования животных до полной механизации всех технологических операций. Немеханизированные (ручные) методы рубки были заменены механизированными. Сначала в лесу работали тракторы сельскохозяйственного назначения, которые оснащали лебедками и погрузочными устройствами. Комплектование таких агрегатов (50-е годы прошлого века) режущим механизмом стало важным шагом на пути повышения производительности лесозаготовительных работ и улучшения условий работы вальщиков. Применение тележнковых гусениц конце пятидесятых годов положило начало созданию первых лесных машин с удлиненной базой: Garrett Tree Farmer (1958) i Timberjack (1961). В 1971 году на заседании объединенного комитета ECE / FAO / ILO в Краснодаре было зафиксировано создание лесозаготовительной технологии на базе канатного оборудования для горных условий. А в восьмидесятые годы появилась скандинавская технология (харвестер + форвардер) для сортиментной лесозаготовки, которая теперь широко используется в странах Центральной Европы.

Если учитывать природоохранные аспекты, то несомненное преимущество на стороне сортиментного способа лесозаготовки. По этому способу легче решать проблемы сохранения биоразнообразия и устойчивого развития лесного хозяйства, в частности, в случае рубок ухода за лесом или лесозаготовки в экологически уязвимой территории. Однако для горных условий эта технология была непригодной из за ограниченной маневренность используемых длиннобазовых лесных машин.

Первые гусеничные вальные машины для горных условий появились в середине восьмидесятых годов (Timberjack серии 2500). В 1995 году Финская компания Plustech представила харвестер с 6 ножами и такими же функциями, что и колесный аналог. Эта машина не была создана специально для горных условий, но имеет значительный потенциал для машинизации горной лесозаготовки. Транспортировка древесины является одной из самых дорогих технологических операций в производственном процессе заготовки древесины. Поэтому оптимальный выбор типа лисотранспортного средства является определяющим этапом для обоснования вида технологии лесозаготовки, особенно в горных условиях. Известно три принципиально разные по способу транспортировки древесины технологии горной лесозаготовки: наземное транспортировки трелевочных волоками, канатным дорогам и воздушное транспортировки летательными аппаратами (рис. 1). Рис. 1. Системы лесных машин за разных способов транспортировки древесины. Кроме того, каждый вид лесозаготовительной технологии делится на два подвида по способу заготовки: сортиментна и ствольная. По сортиментнои технологии обрубки ветвей и кряжування ствола на сортименты осуществляется на лесосеке, а за ствольной - на верхнем складе после трелевки древесины. Сложность системы лесных машин растет с уменьшением возможности движения без специально построенных лисотранспортних путей. Наземные транспортные средства могут двигаться в условиях бездорожья, а если природные условия местности становятся слишком сложными - по инженерным сооружениям (трелевочных волока или канатных дорогах. В лесозаготовительной технологии на базе летательных аппаратов применяется воздушное транспортировки древесины, которое преодолевает все природные препятствия местности. Но через высокие эксплуатационные расходы воздушное транспортировки применяется только в специфических природных условиях, зато без ограничений по уклоном местности и с минимальным воздействием на окружающую среду. Целесообразность применения воздушной транспортировки определяется экономической эффективностью. Решение о выборе наземного вида лисотранспорту принимается по величине уклона лесного массива с учетом степени негативного влияния на окружающую среду, стоимости дорожного строительства и т.п. Экологическая совместимость лисотранспортного средства и окружающей среды определяется, в основном, видом двигателя базовой машины и природными условиями лесной среды.

Виды движков лисотранспортних средств

Сейчас для вездеходных машин используются такие виды движков:

  • колесный;
  • гусеничный;
  • шагающий;
  • линвовий;
  • комбинированный (обычно колесно-шагающий.

Колесо - один из величайших изобретений человечества - начало широко применяться в лесной отрасли только после Второй мировой войны. Колясочные гусеницы внесли значительный вклад в процесс совершенствования шарнирно-сочлененных транспортных средств. Сейчас колесные движители является базой для широко распространенных в Европе харвестера и форвардеров. Эти машины имеют 6 или 8 колес, часто приводные и высоко мобильны. С восьмидесятых годов их оборудуют широкопрофильными шинами с низким внутренним давлением, что улучшило эксплуатационные свойства этих машин и снизило повреждения почв (рис. 2). Гусеничные движители развивались медленными темпами. Но благодаря тому, что гусеницы имеют большую площадь контакта с грунтом и способны развивать высокую силу тяги, тракторы с таким двигателем издавна стали применяться как база тяговых или погрузочных машин для работы на снегу, влажных почвах, в частности, с низкой несущей способностью. Традиционно гусеничные движители обычно используются на территории бывшего Советского Союза, в США, а затем - в Канаде, Новой Зеландии, Австралии и Великобритании. Это были трелевочные тракторы или звалювальни машины на базе экскаваторов. Компании Timberjack i TIMBCO Allied System впервые приспособили гусеничные движители к работе на крутых склонах (рис. 3). Рис. 2. Колесный форвардер (сортиментовоз) Timberjack 1710B. Рис. 3. Крутосхиловий гусеничный харвестер Valmet 911.3. Шагающий движение известный из биологических систем уже сотни миллионов лет в отличие от колесных машин, история развития которых составляет всего несколько тысяч лет. Но о шагающие движители начали говорить только в последние два десятилетия. Это объясняется тем, что шагающий движение требует координации движения всех ног, что может быть реализовано только при помощи компьютерных технологий. Лишь в середине восьмидесятые годов прошлого века стоимость компьютеров упала до такого уровня, что стало экономически выгодно использовать их в лесных машинах. Adoptive Suspension Vehicle был первым автономным транспортным средством с шагающим движителем. В 1995 году финская компания Plustech представила прототип харвестера с 6 ножами. Координация движения ног искусственного шагающего движителя базируется на понимании процесса ходьбы и расположение ног биологической системы. По выследи биологических экспериментов на насекомых в основу структуры системы контроля шагающего движителя положено нейробиологические принципы координации движений при ходьбе. Система построена иерархически - каждая нога имеет собственную систему контроля, которая генерирует ритмичные шаговые движения. Координирующие компоненты связывают шаговые движения всех ног и таким образом обеспечивают ходьбу. Однако сейчас не все координирующие принципы ходьбы биологических систем изучены, что создает определенные проблемы на пути совершенствования шагающего движителя. Анализируя современные исследования шагающих движителей, мы не можем прогнозировать в ближайшее время значительный прогресс лесозаготовительных технологий на базе этих машин. Лесозаготовительная технология на базе канатного оборудования имеет давние традиции в Центральной Европе, бывшем Советском Союзе, тихоокеанском Северо-Западном регионе США, Канаде и Японии. С середины шестидесятых годов технический прогресс совершенствования канатного оборудования пошел путем интеграции. Первый важный шаг в этом направлении - создание мобильного канатного оборудования, который объединил в одно целое лебедку, металлическую опору, силовой блок и базовую (колесную или гусеничную) машину. Впервые в Центральной Европе такие усовершенствования были осуществлены фирмой Mayr-Melnhot в 1963 году. Второй шаг на пути интеграции линвового оборудование было сделано в Австрии в 1979 году. Он касается объединения транспортных свойств с погрузочными и кряжувальнимы возможностями. Добавлено манипулятор, на котором можно монтировать грейферный зажим или процессорную головку. В семидесятых годах введены гидропривод, а в восьмидесятых - автоматический контроль управлением кареткой. Позже в 1994 году до мобильного канатного оборудования (Syncro Falke) впервые добавлено кабину оператора манипулятора (рис. 4). Это обеспечило оптимальную обзорность и значительно улучшило условия рпраци оператора. Другая важная особенность Syncro Falke - поворотная платформа, на которой установлен лебедку и металлическую опору. Максимальный угол поворота платформы - около 2400, что дает возможность прокладывать оптимальные направления канатных дорог даже при неблагоприятном размещение базовой машины. Австрийская фирма KONRAD осуществила еще один шаг для усовершенствования мобильного канатного оборудования, объединив на поворотной платформе металлическую опору, манипулятор с процессором и кабину оператора. В конце девяностых годов мобильное канатное оборудование с процессором, радиоуправляемой кареткой и автоматическим управлением ее движением и остановкой стало нормой для всех фирм, продуцирующие такое оборудование. Транспортные средства с комбинированным (колесно-шагающим движителем) на протяжении длительного времени использовались в строительстве. Это машины, которые производят фирмы Menzi (Швейцария) и Kaiser (Лихтенштейн). Движение в этих машинах координируется вручную (механическим способом), поэтому опыт оператора существенно влияет на обеспечение возможности движения. Уже в 1981 году звалювальна машина на базе колесно-шагающего экскаватора была использована для лесозаготовки в горных условиях (рис. 5). Но как выяснили американские ученые, ручная (механическая) координация движения значительно ограничивает быстродействие машины. Это, вероятно, одна из причин, почему такие машины используются для лесозаготовки только одиночно. Рис. 4 - Системные компоненты мобильной канатного оборудования: 1 - базовая машина с силовым блоком, 2 - кабина оператора 3 - металлическая опора с лебедками; 4 - манипулятор с грейферным зажимом или процессорной головкой Рис. 5. Харвестер Menzi Muck с колесно-шагающим движителем.

Погрузочно-транспортные свойства

Погрузочно-транспортные свойства трелевочных машин зависят прежде всего от проходимости базовых двигателей, а также от вида технологического оборудования (чокерне, безчокерне), положение груженого пакета древесины (полностью или частично загружен) и их грузоподъемности. Имеющиеся современные системы лисотранспортних машин могут быть сгруппированы по следующим признакам:
• сортиментна технология предусматривает использование форвардеров для транспортировки древесины из лесосеки. Такие транспортные средства должны грузоподъемность в пределах 40-140 кН. Их оборудуют манипуляторами с грейферными зажимами, что обеспечивает полную механизацию погрузочно-разгрузочных работ. Досягаемость манипулятора - около 5 м;
• ствольная технология предусматривает использование машин для трелевки древесины в напивнавантаженому (напивпидвишеному) положении. Скидер с зажимным коньком или челюстных зажимом может трелюваты пакет древесины 3-10 м3. Такие лисотранспортни средства обычно базируются на тех же шасси, что и Форвардеры и также оборудуются манипуляторами. Чокерне трелевки предусматривает растяжения каната лебедки и чокерування вручную. Это, конечно, менее эффективно, чем загрузка манипулятором. Полузагруженными трелевки сопровождается большим сопротивлением волочения пакета и примерно на треть уменьшает его общий вес по сравнению с полностью загруженным транспортировкой. Это требует большей силы тяги и влечет значительные повреждения грунтовой поверхности.

Перспективы

Для наземных лесных машин уместным является сохранение и совершенствование таких функций: движение в условиях бездорожья, манипулирование деревом (срезки, кряжування т.п.) и погрузочно-транспортное способность. На будущее такие машины целесообразно оборудовать компьютерными системами (рис.6 и 7), искусственным интеллектом и повышать их эргономические показатели. Рис. 6. Кабина лесовозные автомобиля, оборудованного навигационной GPS-системой. Колесные и гусеничные транспортные средства достигли значительного уровня развития. Возможный путь улучшить их проходимость - адаптировать эти машины к природным условиям, определяющими из которых являются свойства почв. Они изменяются в пространстве и времени (например перед, во время и после дождя) почти непрерывно. Адаптированные системы контроля лесных машин будут иметь возможность изменять параметры колесных и гусеничных движителей зависимости от почвенных условий, загрузки и выполняемой задачи. Новые конструктивные материалы шин или гибких гусениц создадут дополнительный потенциал для совершенствования этих транспортных средств. Рис. 7. Кабина харвестера, оборудованного компьютерной измерительной системой. Движение биологических систем возможен даже в экстремальных условиях эксплуатации, поэтому шагающий движитель является залогом будущего прогресса в лесной отрасли. Главное направление усовершенствований уже созданных искусственных шагающих систем состоит в разработке компьютерно управляемых систем контроля и чувствительных позиционных датчиков. Для адекватного учета параметров окружающей среды необходимо разрабатывать типовые алгоритмы поведения искусственного биологической системы и таким образом обеспечить адаптацию лесных машин до конкретных природных условий. Машины с шагающим движителем совершенствоваться путем копирования животных или создания твариноподибних роботов. Технология горной лесозаготовки на базе мобильного канатного оборудования и харвестора позволяет уменьшить стоимость лесозаготовительных и транспортных операций примерно на 40% по сравнению с технологией на базе ручного сваливания и трелевочного трактора. На будущее в таком оборудовании надо интегрировать и повышать надежность системных компонентов, в частности, погрузочных механизмов, а также увеличивать грузоподъемность до уровня 50 кН. Одна из главных задач лесной отрасли заключается в адаптации лесозаготовительных технологий к природным условиям путем лесозаготовительного планирования, то есть нужно отыскать технические решения, которые физически выполнимыми, экономически целесообразными и экологически безопасными. Сейчас мы находимся на инженерной стадии этого поступательного процесса - ведется алгоритмування и компьютерная оценка предлагаемых сценариев лесозаготовки. Предложенные подходы к планированию лесозаготовительных операций требуют интеграции главных функций лесных машин (сваливание, кряжування и транспортировки. Поэтому в дальнейшем внимание будет фокусироваться на использовании семейств машин или технологий. На рис. 8 показано развитие, главные изменения и перспективы совершенствования технического обеспечения лесозаготовительного процесса на протяжении ста лет. Рис. 8. Главные тенденции развития технического обеспечения лесозаготовки. Фазы лесозаготовки: 1 - рубка, 2 - доставка к главных путей 3 - транспортировка. На перспективу следующих 20-30 лет в транспортировке лесоматериалов на большие расстояния первенство удерживать автомобильном транспорте, в доставке срубленной древесины в транспортных путей преимущественно использоваться канатное оборудование на отвесных уклонах и сортиментовозы на умеренных и средних уклонах при условии применения в Украине сортиментнои технологии лесозаготовки. Что касается рубок - перспектива за многооперационным машинами и роботами, которые могут быть управляемые дистанционно и работать по заранее разработанным лесозаготовительным сценариям. И вполне вероятно, что лесная машина 2050 году будет выглядеть так, как показано на рис. 11, хотя для этого нужна новая, принципиальная другая технология лесозаготовки.

Следовательно можно сделать следующие выводы:
  • наземные лесные машины являются базой для механизированной горной лесозаготовки;
  • ограничение проходимости определяется видом движителя, несущей способностью грунта и конструктивными параметрами лисотранспортного средства;
  • предел досягаемости (подтягивание) является важным показателем работы лесной машины;
  • шагающий движитель имеет большой потенциал для расширения диапазона природных условий наземной лесозаготовки;
  • будущее совершенствование лесных машин должно интегрировать их звалювальни, кряжувальни и транспортные возможности и предоставлять "интеллектуальные свойства";
  • планирование лесозаготовительных операций как один из главных путей оптимизации взаимодействия лесной среды и технических средств базироваться на инженерном подходе с использованием алгоритмических методов и компьютерных информационных технологий.
  • для успешного внедрения и использования инновации будущего должны быть технически выполнимыми, экономически целесообразными и, что важнее, социально и экологически приемлемыми.






Last Advertisement
Login
Log in:  
Password:  
 
You must register to get additional capabilities in the system, Registration is free

Технологии горной лесозаготовки - www.PromWood.com
Users OnLine: 
History forestry | Woodworking | Species of wood | Wood drying | Machinery and equipment | Finishing wood | Biofuel | Charcoal | Forest handbook | Охота