Концепция трактора для лесного хозяйства

Концепция трактора для лесного хозяйства

    Машины и механизмы появились в лесном хозяйстве в начале XX века. Лошадь как основное тяговое средство в лесу была заменена трактором. Тяговая концепция трактора, наследовавшая свойства лошади, просуществовала в нашей стране до начала 60-х гг. Трактор использовали для трелевки древесины от рубок ухода и в качестве энергетической установки для привода стационарных машин. Лесохозяйственные (л.-х.) машины применяли бессистемно, единично и не обеспечивали комплекс механизированных технологических процессов с законченным циклом.

  Во второй половине XX века в лесном комплексе страны произошла революционная машинизация всех технологических процессов. Трактор приобрел тягово-энергетическую концепцию и стал базовым шасси для лесных машин. Было разработано и реализовано семейство систем машин для лесного комплекса. Особое внимание уделено развитию машин для заготовки древесного сырья в виде круглых лесоматериалов. Трелевочные тракторы ТТ-4 и ТДТ-55 и технологические машины на их базе позволили резко повысить производительность труда в лесном комплексе. Были созданы и эффективно применялись л.-х. модификации трелевочных тракторов.

В настоящее время на рынке предлагают тракторы различного назначения — с.-х., промышленные, лесопромышленные и л.-х. В качестве основного классификационного параметра трактора в России и странах СНГ применяется номинальное тяговое усилие (см. таблицу). 
 

 Класс Тракторы

 Тяги Колесные

 0,2           КМЗ-012, Т-012 (КМЗ-012), "Беларус" МТЗ-0,5, "Уралец" Т-0.2.01,

                "Беларус" МТЗ-082, ТИМ, ТС-350, "Прикарпатец" ТМК-0,2, АМЖК-8, К-20

 0,6           Т-25А, Т-30, Т-ЗОА, ТЗОА-80, ТЗО-69, ТЗО-70, Т-16М, ВТЗ-ЗОСШ,

                  ВТЗ-2032, ВТЗ-2032-10, ВТЗ-2032А, ВТЗ-2027, К-20 "Краб", ХТЗ-25ПВ

                  (погрузчик), ХТЗ-25ИК (погрузчик), ХТЗ-2511, ХТЗ-3521

 0,9            Т-40М, Т-40АМ, Т-40АНМ, ЛТЗ-55, "Беларус" 320, ВТЗ-2048А

 1,4           МТЗ-80, МТЗ-82, МТЗ-80Х, "Беларус" 510, "Беларус" 520,

                "Беларус" 523, "Беларус" 530, "Беларус" 532, "Беларус" 550, 

                 "Беларус" 552, "Беларус" 570, "Беларус" 572, "Беларус" 592, 

                 "Беларус" 820, "Беларус" 900, "Беларус" 920, "Беларус" 950, 

                "Беларус" 952, "Беларус" 1021, "Беларус" 1025, Л-82 (л.-х.),

                 ТТР-401М (трелевочный), МВ-82Н, МВ-80К, ЛТЗ-60, ЮМЗ-10280,

                 ЮМЗ-6АКЛ/62АКЛ, ЮМЗ-8080, ЮМЗ-8280, ЮМЗ-8085, ЮМЗ-8285-    "Днипро"

 2              РТ-М-160, "Беларус" 1221, "Беларус" 1222, "Беларус" Ш-406, ЛТЗ-155

 3              ХТЗ-121, ХТЗ-16131, ХТЗ-16132, ХТЗ-1.6331, ВК-170, Т-150К, Т-157

                 (лесной), К 3000 ATM, "Беларус" 1523, Т-3К, Т-153

 5              МоАЗ-49011, К-700, К-701, К-702 (промышленный),

                 К-703 (лесной), К 744Р

 7     К 745

                             Гусеничные

 2     Т-70С

 3     ДТ-75, ДТ-75К, ДТ-75Б, ДТ-75М, ДТ-75ДТ (торфяной), ДТ-75НД, ДТ-75РМ,

       Т-74, Т-150, Т-157 К (трелевочный с пачковым захватом), ТДТ-55 и

       ТЛТ-100А (трелевочные), ЛХТ-55 и ЛХТ-100А (л.-х.), ТБ-1 и

       ЛТ-230 (бесчокерная трелевка), ЛХТ-100А-12 (лесопожарный), ВТ-100Д,

       ВТ-100ДТ (торфяной), ВТ-175, ВТЗ-200, Т-3, "Онежец" 130, ТЛТ-100,

       ЛТ-230

 4     Т-4А, ТТ-4М (трелевочный), ТЛП-4М (лесопожарный), Т-4А.01, Т-4АП2.01

       Т-402.01, Т-404, ВТ-130, ВТ-150, ХТЗ-150-03, Т-150-05-09, ХТЗ-150-08

       ХТЗ-181, ХТЗ-183, ХТЗ-180Б, ХТЗ-153Б

 5     МТ-5-01, МТ-5 (трелевочный), МТМ-5 и ЛТ-187А (бесчокерная трелевка),

       Т-5

 6     Т-100МС, Т-130, Т-100МБ (болотный), Т-130БТ

 10    Т-100МГП, Т-130Г-1, Т-130Б, Т-170М 03-51

Реализация тягового усилия на плотном грунте или агрофоне взаимосвязана со сцепным весом трактора. Повышение тягового усилия неизбежно ведет к росту массы трактора и всего агрегата. Однако на л.-х. фонах, характеризующихся разнообразием параметров, определяющими экологическими требованиями к тракторам являются давление на почву, габаритные размеры и радиус поворота. Расчеты показывают, что указанным требованиям удовлетворяют только тракторы ДТ-75Б, ЛХТ-100 и Т-170Б. Вместе с тем при агрегатировании тракторов с л.-х. машинами, с активными рабочими органами конструкционная масса трактора — не определяющий параметр при обосновании допустимого давления на почву [1]. Скорее всего, в этом качестве может выступать мощность, отбираемая с переднего и заднего валов отбора мощности (ВОМ). Анализ данных, приведенных в таблице, показывает, что при использовании в качестве критерия обоснования концепции трактора его тягового класса может получиться разное значение мощности двигателя. В результате к одному классу могут относиться тракторы с различными характеристиками и мощностью двигателей. Таким образом, тяговый класс не является определяющим при обосновании концепции л.-х. трактора.

В зарубежной практике в соответствии со стандартом ISO используют классификацию с.-х. тракторов по категориям мощности, измеренной на ВОМ при номинальной частоте вращения вала двигателя [2]. Перспективы применения л.-х. тракторов в качестве мобильных энерготехнологических средств, на наш взгляд, нагляднее оценивает дуальная концепция — тяговая и энергетическая. По первой концепции комплектуются мобильные агрегаты с пассивными рабочими органами (почвообрабатывающие машины с лемешными плугами, корчеватели, кусторезы, лесопосадочные машины) и транспортно-трелевочные машины. Для них определяющим параметром является тяговое усилие, а тяговую мощность находят как его произведение на скорость агрегата. По энергетической концепции комплектуют машинно-тракторные агрегаты с активными рабочими органами (фрезерные почвообрабатывающие агрегаты, ямокопатели, роторные кусторезы, рубительные машины, измельчители-сортировщики и др.). Для них определяющий параметр — мощность (произведение крутящего момента на угловую скорость).

В лесном хозяйстве применяют как колесные, так и гусеничные тракторы (последние — на лесовосстановительных работах и трелевке древесины при рубках ухода). Концепция компоновки л.-х. трактора (рис. 1), разработанная в середине XX века, существенно отличалась от с.-х. гусеничного трактора: кабина 1 смещена вперед, двигатель 2 расположен под кабиной (ТТ-4) или сбоку от нее (ТДТ-55). Спереди машина оборудована толкателем 3, сзади — навесной системой 5 и ВОМ 6. Такая компоновка обеспечивает хорошую переднюю обзорность и высвобождает площадку 4 за кабиной для размещения технологического оборудования. Ходовая система снабжена катками большого диаметра, установленными на рычажно-балансир-ной подвеске. Передние направляющие катки и задние ведущие звездочки приподняты для улучшения проходимости (ЛХТ-ЮОА, "Онежец" 180-12). Для работы на грунте с низкой несущей способностью опорная поверхность трактора увеличивается за счет уширения гусениц и понижения оси ведущего колеса, выполняющего функции дополнительного катка (ВТ-100ДТ). При такой компоновке давление на грунт снижается до 0,026 МПа и трактор может перемещаться по снежной поверхности. Л.-х. трактор традиционной компоновки может иметь до трех технологических пространств для расположения машин или дополнительного оборудования — за кабиной, передняя и задняя навесные системы.

Концепция трактора для лесосплавных работ учитывает возможность движения по воде или суше с помощью водометного или гусеничного движителя (рис. 2). Кабина 1 смещена вперед, а двигатель 2 расположен сзади для лучшей балансировки трактора. Спереди установлен бревнотолкатель 3. Винт водометного движителя 4 размещен сзади в ограждении. Гусеничный движитель 5 приводится от передних катков. За кабиной расположена технологическая площадка 6 для размещения оборудования (лебедка, грузоподъемный манипулятор и пр.). При установке на трактор уширенных гусениц и опущенном заднем катке давление на грунт составляет 0,027 МПа.

Для л.-х. тракторов тяговой концепции существует зависимость между его весом Gтр, и мощностью двигателя Nе:

Этр = Nе/Gтр = const. (1)

Формула (1) обусловливает ограниченность энергонасыщенности Этр трактора тяговой концепции при реализации мощности двигателя только через силу тяги при минимальной технологической скорости на вырубках. В таких условиях тяговая сила трактора ограничивается силой тяги по сцеплению и вся мощность не может быть реализована. Увеличить рабочую скорость не позволяет микро- и макрорельеф вырубок.

Для многих технологических процессов рабочие скорости достигли технологического предела и не будут повышаться в ближайшей перспективе. Это приводит к тому, что дальнейшее снижение удельной материалоемкости л.-х. трактора невозможно. В тракторах тяговой концепции для реализации всей мощности двигателя объективно требуется увеличение массы машины. Это, как правило, приводит к росту давления на почву. Таким образом, л.-х. тракторы тяговой концепции практически исчерпали все возможности своего совершенствования.

На современном этапе разрабатывается блочно-модульная (тягово-энергетическая) концепция л.-х. трактора (рис. 3). Он включает в себя как минимум два блока: моторно-трансмиссионный модуль (МТМ) 1 и сочленяемый с ним транспортно-технологический модуль (ТТМ) 2. Для уменьшения длины трактора, повышения маневренности и проходимости сцепное устройство 3 выполняется с поперечным стержнем [3]. Передача части энергии от МТМ к ТТМ осуществляется гидрообъемным приводом с бесступенчатым регулированием скорости.

Машина гусенично-сочлененной концепции имеет несколько технологических мест 4. Такая компоновка, по сути, создает модульно-энергетическое средство, которое реализует максимальную тяговую силу. ТТМ с размещенным на нем технологическим оборудованием легко соединяется с трактором и отсоединяется от него в зависимости от выполняемых операций. ТТМ можно балластировать.

При модульной концепции л.-х. трактора устраняется требование формулы (1). МТМ и ТТМ можно совершенствовать по отдельности в зависимости от предъявляемых к ним требований. Модульная концепция машины позволяет существенно повышать массу ТТМ и снижать массу МТМ при увеличении мощности двигателя. Трактор с присоединенным к нему ТТМ по тяговому классу будет занимать более высокий класс, чем он занимал бы его по мощности (см. таблицу).

Для трактора тягово-энергетической концепции сила тяги по сцеплению Рсц рассчитывается по формуле

Рсц = GмтмKмтм + GттмKттм (2)

где Gмтм и Gттм — вес МТМ и ТТМ; Кмтм и Кттм - коэффициенты сцепления движителей модулей с опорной поверхностью.

Анализ формулы (2) показывает, что увеличения касательной силы тяги гусенично-сочлененной машины можно достичь за счет балластирования ТТМ. Если в конструкции предусмотреть ступенчатое балластирование МТМ, то в диапазоне номинальных тяговых усилий можно создать трактор регулируемого тягового усилия и энергонасыщенности в зависимости от состояния технологических поверхностей. Масса трактора может определяться необходимыми для конкретных условий тяговыми усилиями. Это устраняет вынужденное перемещение по обрабатываемой поверхности излишней массы трактора, уменьшает затраты энергии и топлива.

Типоразмерный ряд л.-х. тракторов, созданных на модульной основе, до настоящего времени не разработан.

Расчеты показывают, что трактор ЛХТ-100, по существующей классификации относящийся к кл. 4, при снабжении его ТТМ развивает тяговую силу на вырубках, соответствующую кл. 5 [4]. МТМ можно применять самостоятельно с рабочими машинами, соответствующими своему классу. Использование гусенично-сочлененного трактора на транспортных работах экономически оправдано при плохих дорожных условиях, когда требуется максимальная тяговая сила. При применении л.-х. трактора на деформируемых грунтах его проходимость повышается за счет того, что гусеницы ТТМ перемещаются по колее, проложенной гусеницами МТМ.

Таким образом, ТТМ движется по предварительно уплотненной поверхности, в результате возрастает тяговая сила. При хороших дорожных условиях использование машин данной концепции нецелесообразно вследствие снижения условного тягового КПД из-за потерь энергии в трансмиссии для привода гусениц ТТМ и кинематического несоответствия в приводах ходовых систем МТМ и ТТМ. В хороших дорожных условиях ТТМ можно снабжать прицепом без активного привода гусениц.

Для отечественных колесных л.-х. тракторов применяется схема 4К4б. Базовая модель (рис. 4, а) [2] имеет технологическое пространство за кабиной. На такой базе созданы тракторы ЛТ-157, ХТЗ-151К-06, К-703М(А)-МЛ-56, ТЛК4-01 (рис. 4, б), Т-157 К, ТЛТ-4-15 (рис. 4, в). Меньшее давление на грунт обеспечивают тракторы схемы 6К6б и 8К8б (рис. 4, г), которые применяют в трелевочных тракторах (рис. 4, д), валочно-треле-вочных машинах (ЛО-123, ШЛК 6-04) (рис. 4, е) и форвардерах (МЛ-131, ЛТ-189, OTZ-904F) (рис. 4, ж). Для погрузочно-транспортных работ служат харвестеры (ШЛК 6-04, МЛ-74) (рис. 4, з).

Колесные л.-х. тракторы создают на модульной основе. МТМ включает в себя либо трактор, либо моторный модуль, оборудованный передним и задним устройствами для сочленения с ТТМ. В качестве последнего часто используют полунавесную сцепку, активный ведущий мост с навесным устройством, набор одноосных и двухосных технологических модулей с рабочим оборудованием. Трелевочные машины, в которых требуется одно технологическое пространство, состоят из МТМ и одноосного ТТМ. Для валки, раскряжевки и вывозки древесины необходимы тракторы с несколькими технологическими пространствами, поэтому они создаются на основе МТМ и двух- и трехосных ТТМ. Увеличение числа ведущих осей не только расширяет технологическое пространство, но и повышает тягово-сцепные свойства машины на деформируемом грунте. У форвардера МЛ-131 колеса МТМ выполнены большего диаметра, чем колеса ТТМ.