Перспективность дальнейших исследований по совершенствованию гусеничных лесных машин

Размещено на http://www.allbest.ru/

Перспективность дальнейших исследований по совершенствованию гусеничных лесных машин

Карасев Юрий Анатольевич, Марков Виктор Александрович,

Дмитриев Александр Сергеевич, Должиков Илья Сергеевич,

Юдилевич Александр Михайлович

Аннотация

гусеничный лесной машина производство

В обзоре на основании анализа сложившейся ситуации в отечественной лесной науке и лесном машиностроении показаны перспективы расширения выпуска и использования в лесозаготовительном производстве и лесном хозяйстве гусеничных лесных машин. Проанализированы достоинства и недостатки колесных и гусеничных баз лесных машин как с точки зрения эксплуатационной, так и экологической эффективности их использования, включая условия эксплуатации в лесах на вечной мерзлоте. Показано, что отечественные лесные машины на базе гусеничного шасси имеют очень большие перспективы широкого применения в лесном хозяйстве и в лесозаготовительном производстве. Эти машины, по сравнению с колесными, значительно экологичнее, значительно дешевле в производстве и эксплуатации. На российских машиностроительных заводах есть большой опыт производства таких машин. За счет значительно более простой конструкции возможно обеспечить использование комплектующих отечественного производства. Обоснована необходимость нормативного регулирования последствий воздействия лесных машин на почвогрунт по следующим показателям: по допустимому давлению на почвогрунт, глубине оставляемой колеи и степени уплотнения почвогрунта.

Ключевые слова: колёсные лесные машины; гусеничные лесные машины; воздействие на почвогрунты

Annotation

Prospects for further research on the improvement of tracked forest vehicles

Yuri Karasev, Victor Markov, Alexander Dmitriev, Ilya Dolzhikov, Alexander Yudilevich

The analysis of the current situation in the domestic forestry science and forestry engineering allowed the authors to describe the prospects for expanding the production and use of tracked forest vehicles in logging production and forestry. The advantages and disadvantages of wheeled and tracked forest vehicles are analyzed, both from the point of view of their operational and environmental efficiency, including operating conditions in forests in the permafrost zone. It is shown that domestic forestry machines based on tracked chassis have good prospects for wide application in forestry and in logging production. These machines, compared with the wheeled ones, are much more environmentally friendly, much cheaper to manufacture and operate. Moreover, Russian machine-building plants have extensive experience in the production of such machines. A simpler design of tracked machines ensures 100% manufacture of components within our country. The authors claim the necessity of regulatory control of the ecological environmental impact of forest machines operation, in particular, permissible pressure on the soil, the depth of the track left, the degree of soil compaction.

Keywords: wheeled forestry machines; tracked forestry machines; impact on soils

Введение

Основной целью данной работы является обоснование перспективности развития исследований в области совершенствования гусеничных лесных машин в рамках научной специальности 4.3.4 «Технологии, машины и оборудование для лесного хозяйства и переработки древесины». Необходимость данного обоснования связана с несколькими обстоятельствами. Во-первых, в названии данной научной специальности отсутствует прямое упоминание о лесозаготовительном производстве. Во-вторых, в результате практически полного уничтожения отечественного лесного машиностроения, традиционно базировавшегося на гусеничных тракторах, российские лесозаготовители перешли на импортные колёсные лесные машины, производящиеся в недружественных странах. За пару десятков лет доминирования в российском лесозаготовительном производстве импортных колёсных тракторов успело сформироваться мнение о не перспективности гусеничных лесных машин. С началом санкционной войны ребром встал вопрос о необходимости срочного возрождения отечественного лесного машиностроения. В этой связи авторы статьи сочли целесообразным и своевременным представить данный сравнительный анализ колёсных и гусеничных лесных машин, показывающий, что гусеничная база для лесных машин имеет свои существенные преимущества и списывать её со счетов при планировании развития лесных машин в России нельзя.

До октября 2022 г. в Российской Федерации действовали три лесотехнические специальности -- 05.21.01 «Технология и машины лесозаготовок и лесного хозяйства»; 05.21.03 «Технология и оборудование химической переработки биомассы дерева; химия древесины»; 05.21.05 «Древесиноведение, технология и оборудование деревопереработки».

С октября 2022 г., согласно приказу Министерства науки и высшего образования РФ от 24.02.2021 № 118 «Об утверждении номенклатуры научных специальностей, по которым присуждаются учёные степени и внесении изменения в Положение о совете по защите диссертаций на соискание учёной степени кандидата наук, на соискание учёной степени доктора наук, утверждённое приказом Министерства образования и науки Российской Федерации от 10 ноября 2017 г. № 1093», они объединены в одну научную специальность 4.3.4 «Технологии, машины и оборудование для лесного хозяйства и переработки древесины».

Как видно, из названия специальности 4.3.4 «Технологии, машины и оборудование для лесного хозяйства и переработки древесины» выбыл термин «лесозаготовки». В принципе, если ориентироваться на европейскую практику, это нормально, поскольку в Европе лесозаготовки и лесное хозяйство объединены единым термином «Forestry» [1].

Согласно действующему Лесному кодексу Российской Федерации, лесопользователи, заготавливающие древесину по договорам аренды участков лесного фонда (которые заключаются на срок от 10 до 49 лет), обязаны проводить также лесовосстановительные работы, работы по уходу за лесами, а также работы, связанные с охраной и защитой леса, включая противопожарные мероприятия. То есть такие лесопользователи проводят полный комплекс лесозаготовительных и лесохозяйственных работ, который и подразумевает термин «Forestry» [2]. Иначе говоря, современное лесозаготовительное производство в нашей стране, включающее четыре основных этапа -- лесосечные работы, транспорт леса, лесоскладские работы, лесовосстановительные работы, является несколько расширенным термином «Forestry», поскольку лесоскладские работы являются переходным этапом между лесозаготовкой и деревопереработкой [3].

Достаточно распространённым видом пользования лесом в Российской Федерации, особенно в Сибири и на Дальнем Востоке, является разрубка линейных объектов под линии электропередач, различные трубопроводы [4]. Согласно Федеральному закону «О внесении изменений в Лесной кодекс Российской Федерации и отдельные законодательные акты Российской Федерации в части совершенствования воспроизводства лесов и лесоразведения» от 19.07.2018 № 212-ФЗ, такие лесопользователи обязаны проводить работы по лесовосстановлению (лесоразведению) на участках лесного фонда (не находящихся в аренде) на такой же площади, что и выведена под линейный объект, в пределах субъекта Российской Федерации, на территории которого находится этот объект. То есть при строительстве линейных объектов на землях лесного фонда также выполняются лесосечные и лесовосстановительные работы [5].

Вышесказанное позволяет утверждать, что технологические процессы, машины и оборудование рубок лесных насаждений в полной мере относятся к понятию «лесное хозяйство», указанному в названии научной специальности 4.3.4 «Технологии, машины и оборудование для лесного хозяйства и переработки древесины».

Также целесообразно обратить внимание на следующие моменты:

¦ Во-первых, достаточно часто для выполнения лесосечных, лесовосстановительных и других лесохозяйственных работ на лесопромышленных предприятиях задействуются одни и те же машины [6--10]. Исходя из принципа модульности построения систем машин, энергетические и транспортные модули могут использоваться на различных операциях [11], [12]. И таких примеров можно привести достаточно много -- противопожарный форвардер, представляющий собой форвардер, временно оснащённый ёмкостью для воды, системами её набора и распыления на месте пожара [13]; подборщики порубочных остатков -- трелёвочные тракторы, оснащённые грабельным собирающим устройством или кузовом для сбора и вывозки порубочных остатков; машины для подготовки почвы на вырубках и гарях -- трелёвочные тракторы, оснащённые плугом или почвенными фрезами; мульчеры; ротоваторы и т. д. [14--16]. Такому разноплановому использованию базовых лесных машин во многом способствует сезонность проведения рубок леса, лесовосстановительных и других лесохозяйственных работ [17--19]. Ведь, по очевидным причинам, лесовосстановительные и многие другие (хотя и не все) лесохозяйственные работы проводятся в тёплый период года, а рубки леса, особенно в лесных массивах со сложными почвенно-грунтовыми условиями, предпочтительно проводить в зимний период, когда почвогрунты замёрзнут [20], [21].

¦ Во-вторых, в связи с постепенной деградацией российской глубинки (оттоком работоспособного населения (особенно молодёжи) в крупные города, а также резким снижением притока в отрасль сезонных работников из стран ближнего зарубежья) в лесозаготовительном производстве и лесном хозяйстве Российской Федерации отмечается все меньше доли ручного труда и всё больший объём работ выполняется различными машинными комплексами на базе специальных колёсных и гусеничных тракторов, которые принято называть общим термином «лесные машины» [22--24].

В этой связи необходимо уточнить терминологический аппарат, используемый в дальнейшем. Согласно публикациям [25], [26], лесными машинами называются любые специальные тракторы, конструктивно предназначенные для работы в сложных условиях лесного фонда. Прежде всего, ряд таких машин, особенно для лесосечных работ, должны быть оснащены специальными конструкциями, обеспечивающими безопасность оператора [27], [28]. Это, например, специальные стёкла на лесозаготовительных машинах (харвестерах и т. д.), защищающие оператора от отстрела пильной цепи, конструктивные укрепления кабины, которые защищают оператора при перевороте машины или падении на кабину ствола дерева -- ROPS (roll-over protective structure), и т. д. [29], [30]. Пригодность машины для работы в лесу часто подтверждается специальными сертификатами безопасности [31]. Конечно, нельзя не признать, что на лесосечных работах в нашей стране, особенно на предприятиях, проводящих малообъёмные лесозаготовки, часто встречаются и обычные сельскохозяйственные тракторы (чаще всего МТЗ), обычно на трелёвке, иногда погрузке, оснащённые специальным технологическим оборудованием [32]. Но такой вариант нельзя признать удовлетворительной практикой, поскольку во главу угла в любой производственной сфере должны ставиться жизнь и здоровье персонала, а лесозаготовительная отрасль отнюдь не является безопасной, согласно статистике несчастных случаев [33--35].

Среди лесных машин выделяют класс лесозаготовительных машин [36]. К ним относят лесные машины, конструктивно предназначенные для валки деревьев и, как правило, выполнения ряда последующих операций: валочные машины (ВМ), валочно-пакетирующие машины (ВПМ), валочно-трелёвочные машины (ВТМ), валочно-сучкорезные машины (ВСМ), валочно-сучкорезно-раскряжёвочные машины (ВСРМ, или харвестеры), валочносучкорезно-раскряжёвочно-трелёвочные машины (ВСРТМ, или харвардеры и форвестеры), валочно-трелёвочно-процессорные машины (ВТПМ) [37--40], т. е. к лесозаготовительным машинам относят такие лесные машины, которые, прежде всего, могут валить деревья. Такое выделение связано, во-первых, с тем, что операция валки деревьев является первой во всех технологических процессах лесосечных работ. Во-вторых, с тем, что, в подавляющем большинстве случаев, это машины узкоспециализированные, которые не задействуют на других операциях лесосечных, лесовосстановительных или других лесохозяйственных работ. В виде исключения можно отметить форвестер, который может быть временно переоснащён в лесопожарный форвардер, или машину для подготовки почвы на вырубках и гарях, или манипуляторную машину для сбора порубочных остатков, а также широкозахватную ВПМ, или гусеничный харвестер (на базе экскаватора), которые возможно переоснастить в полноповоротный погрузчик, или в посадочную машину для сеянцев (саженцев) с закрытой корневой системой [41].

Кроме лесозаготовительных, к наиболее узкоспециализированным лесным машинам можно отнести погрузчики и процессоры (сучкорезно-раскряжёвочные машины, используемые при канадском варианте сортиментной технологии лесосечных работ) [42]. Наиболее универсальными по применению являются трелёвочные машины [43].

Материалы и методы

В настоящее время в лесозаготовительном производстве Российской Федерации преобладают импортные лесные машины, причём, в основном, произведённые в недружественных странах. Многократные предупреждения учёных и специалистов лесной отрасли о большой опасности такой ситуации не привели к удовлетворительным результатам в области отечественного лесного машиностроения, которое так и осталось в практически полностью разгромленном состоянии к началу специальной военной операции и последовавшей за ней санкционной войне, объявленной нашей стране недружественными странами. Причём основными производителями широко используемых в нашей стране лесных машин были Финляндия, Швеция, Австрия, США, Япония, т. е. страны, объявившие России санкции. Пятый пакет этих санкций напрямую затронул лесную отрасль, как лесозаготовки с лесным хозяйством, так и деревоперерабатывающие предприятия. Это привело к значительным проблемам в области закупки новых машин, обеспечения их оригинальными запасными частями и расходными материалами. Широко используемый для решения возникшей проблемы параллельный импорт через дружественные страны удлиняет и удорожает логистику их доставки, а значит, и конечную себестоимость выполняемых этими машинами работ.

Про гибель российского лесного машиностроения и его последствия сказано и написано достаточно много. Останавливаться на этом вопросе сейчас не имеет смысла. В современной ситуации необходимо искать наиболее оптимальные выходы по цене -- срокам -- качеству. В связи со сложившимися реалиями предлагается применять термин «перспективные лесные машины», поскольку, по очевидным причинам, наиболее распространённые сейчас импортные лесные машины из недружественных стран не могут считаться также и перспективными, со всеми вытекающими отсюда последствиями.

Также отметим, что любая лесная машина представляет собой базовое шасси, агрегатированное тем или иным технологическим оборудованием для выполнения различных технологических операций [44].

Как было отмечено ранее, лесные машины можно подразделить по универсальности их применения на операциях лесосечных, лесовосстановительных или других лесохозяйственных работ на узкоспециализированные и универсальные. Но это достаточно условное деление. В научной литературе принято подразделять лесные машины по следующим признакам:

¦ По виду движителя. По этому конструктивному признаку, традиционно, лесные машины подразделяются на гусеничные и колёсные. Но помимо этих двух, классических, вариантов известны также шагающие машины (фото 1), разработанные финской компанией Timberjack (до её продажи американской компании John Deere). Эти машины были выпущены малой опытной партией (всего 7 шт.) и в широкую серию так и не пошли, вероятно, в связи со сменой собственников бизнеса. Кроме того, есть широко распространённый в практике лесозаготовителей вариант оснащения колёсных лесных машин колёсными гусеницами различных конструкций (рисунок 1) для повышения проходимости (при таком варианте машины часто называют колёсно-гусеничными) [45--50], а также менее распространённый, но встречаемый на практике вариант частичного использования гусеничного хода, частично колёсного -- полугусеничные машины (фото 2).

Фото 1 Харвестер с шагающим движителем компании Timberjack

Отметим, что колёсные гусеницы выпускаются не только зарубежными странами. Есть достаточно неплохие примеры аналогичной отечественной продукции, произведённой на основе собственных результатов интеллектуальной деятельности (например, компания «Timbertrack & ПКФ Форвардер»).

Также отметим, что вариант полугусеничного хода, представленный на фото 2, свойствен для лесозаготовительных предприятий, производящих малообъёмные лесозаготовки [51], [52]. Но таких предприятий, имеющих в ОКВЭД раздел «Заготовка древесины», в России большинство (различные ИП и т. д.).

Рисунок 1 Колёсные гусеницы компании Olofsfors

Споры между сторонниками колёсных и гусеничных движителей для лесных машин ведутся с середины ХХ в. [53]. Для отечественного лесного машиностроения традиционна гусеничная модель, начиная с первого в мире специализированного трелёвочного трактора КТ-12.

Онежский и Алтайский тракторные заводы -- флагманские машиностроительные предприятия лесной отрасли СССР -- выпускали именно гусеничные машины, известные под марками ТТ, ТДТ, ЛХТ, «Онежец». В определённой степени это было связано с тем, что на момент разработки их концептов колёсное тракторостроение в нашей стране было ещё достаточно слабо развито. Сейчас эти заводы не существуют. Как было отмечено выше, в российских лесах доминируют колёсные импортные тракторы. Но это отнюдь не значит, что эпоха гусеничных лесных машин в нашей стране прошла. Наоборот, можно сказать, что у неё наступает ренессанс. Тенденции развития лесного машиностроения в Российской Федерации будут рассмотрены ниже.

¦ По виду выполняемых технологических операций. В предыдущем разделе работы уже были отмечены различные виды лесозаготовительных машин (ВМ, ВТМ, ВПМ и др.), а также погрузчики, процессоры, трелёвочные тракторы, мульчеры, ротоваторы, лесопосадочные машины, подборщики порубочных остатков, машины для подготовки почвы на вырубках и гарях, лесопожарные тракторы [54]. В принципе, это весь основной набор лесных машин, которые, подчеркнём ещё раз, могут быть узкоспециализированными или компоноваться по модульному принципу. Причём это касается даже машин одного и того же назначения. Например, на фото 3 представлен узкоспециализированный гусеничный лесопожарный трактор ТЛП-4М-031 производства ООО «Сибирь-Техника» (РФ), а на фото 4 -- лесопожарный колёсный форвардер производства компании Ponsse (Финляндия) [41].

Фото 3 Гусеничный лесопожарный трактор ТЛП-4М-031

ТЛП-4М-031 больше конструктивно приспособлен для борьбы с лесными пожарами, но в непожароопасный период просто занимает место в гараже и «связывает» оборотные средства предприятия. Колёсный лесопожарный форвардер не может прокладывать минерализованные полосы, имеет несколько худшую проходимость в заболоченной и переувлажнённой местности, зато в непожароопасный период, после демонтажа пожарного оборудования, может быть задействован на лесосечных работах по скандинавскому варианту сортиментной технологии заготовки древесины.

Фото 4 Лесопожарный колёсный форвардер

¦ По направлению зоны обслуживания относительно хода машины. Первоначально этот классификационный признак применяли к лесозаготовительным машинам, однако с развитием лесной техники, увеличением количества и видов машин, агрегатируемых по модульному принципу, это признак классификации стали применять ко всем лесным машинам [55]. По данному признаку лесные машины подразделяются на: фронтальные -- имеют технологическое оборудование, работающее с предметом труда перед машиной или за кормой машины (фото 5); фланговые -- имеют технологическое оборудование, работающее с предметом труда с одного или двух бортов машины (фото 6); поворотные (полноповоротные) -- имеют технологическое оборудование, работающее с предметом труда с флангов и спереди машины, иногда и за кормой машины (фото 7). Отметим, что многие полноповоротные лесные машины агрегатируются на базе гусеничных экскаваторов [44].

Фото 5 Фронтальные лесные машины

Фото 6 Фланговые лесные машины

¦ По ширине обрабатываемой ленты леса. Как и предыдущий, этот классификационный признак изначально был присущ лесозаготовительным машинам, но впоследствии стал использоваться в специальной литературе применительно к другим лесным машинам. Согласно терминам и определениям лесозаготовительного производства, лента -- часть пасеки, обрабатываемая вальщиком или лесозаготовительной машиной за один проход [56]. Если технологическое оборудование крепится к корпусу лесной машины, то она будет вынуждена подъезжать отдельно к каждому предмету труда (месту выполнения дискретной операции). Тогда обрабатываемая лента будет узкой, и такие машины принято называть узкозахватными. Если технологическое оборудование у машины крепится к гидроманипулятору, позволяющему за счёт своего вылета существенно увеличивать площадь, обрабатываемую машиной с одной технологической стоянки, то лента получается широкой, и такие машины принято называть широкозахватными. То есть внешним признаком узкозахватных и широкозахватных машин является наличие или отсутствие гидроманипулятора. На фото 5 и 6 представлены узкозахватные лесные машины, а на фото 7 -- широкозахватные.

Фото 7 Полноповоротные лесные машины

¦ По принадлежности к виду работ (к группе технологических процессов). В современной ситуации это достаточно условное деление, поскольку, как было показано выше, некоторые машины для лесосечных работ вполне могут быть, без больших трудозатрат, переоборудованы в машины для лесовосстановительных и других лесохозяйственных работ. Некоторые машины не могут быть переоборудованы под другие операции (см. фото 3 и 4). В этой связи, на наш взгляд, более целесообразно подразделять по принципу узкоспециализированные машины для лесосечных работ (например, процессоры), узкоспециализированные машины для лесохозяйственных работ (например, гусеничные лесопожарные тракторы), а также универсальные машины [57].

Деление машин для лесосечных работ по группам технологических процессов (на хлыстовые и сортиментные) также в определённой мере условно. Если харвестеры, харвардеры и форвестеры -- это машины только для сортиментной заготовки по скандинавскому варианту, то ВПМ, ВТМ, ВТПМ вполне могут быть задействованы как в хлыстовой заготовке, так и в сортиментной (по канадскому варианту). То же можно сказать и о трелёвочных тракторах: форвардеры (сортиментоподборщики) -- для сортиментной скандинавской заготовки; чокерные, бесчокерные, с пачковым захватом (скиддеры) -- для хлыстовой или сортиментной заготовки (по канадскому варианту сортиментной технологии заготовки древесины).

Погрузчики являются более специализированной техникой, замыкающей технологические процессы лесосечных работ: перекидные -- только для хлыстовой заготовки; манипуляторные (полноповоротные) -- могут использоваться и при хлыстовой, и при сортиментной заготовке, но при хлыстовой заготовке на них устанавливаются специальные захваты, а при погрузке сортиментов -- обычные грейферные.

В полной мере деление лесных машин на узкоспециализированные и универсальные относится и к проведению лесовосстановительных и других лесохозяйственных работ [58].

Результаты

Как было отмечено выше, споры между сторонниками колёсных и гусеничных движителей для лесных машин продолжаются уже достаточно давно. Очевидно, что у любого технического решения есть свои достоинства и свои недостатки. Отечественные лесопромышленные и лесохозяйственные тракторы были, в основном, гусеничными. Базовые шасси для них выпускались на Алтайском тракторном (г. Рубцовск, Алтайский край) и Онежском тракторном (г. Петрозаводск, Республика Карелия) заводах. Несмотря на разницу в двигателях, трансмиссиях, кабинах, тракторы этих заводов (ТТ, ТДТ, ЛХТ, «Онежец») служили базой для самых разных лесных машин: погрузчиков (ПЛ-1Г и ЛТ-65 Б), сучкорезных (ЛП-30 Г и ЛП-33), чокерных трелёвочных (ТДТ-55 А и ТТ-4 М), бесчокерных трелёвочных (ТБ-1 М и ЛП-18), трелёвочных с пачковым захватом (ЛТ-230 и ЛТ-187), ВТМ (ЛП-17 и ЛП-49) и т. д. С точки зрения их эффективной эксплуатации была одна принципиальная рекомендация -- машины на базе тракторов Алтайского тракторного (ТТ) завода рекомендовалось использовать в насаждениях со средним объёмом хлыста более 0,4 м³, а машины на базе тракторов Онежского тракторного (ТДТ, «Онежец») завода рекомендовалось использовать в насаждениях со средним объёмом хлыста до 0,4 м³.

В конце своего существования Онежский тракторный завод разработал и подготовил к серийному выпуску серию колёсных лесных тракторов под маркой ТЛК [48], но в широкую серию они так и не пошли. Были попытки мелкосерийного выпуска колёсных лесных машин (ЛТ-154) на базе мощных тракторов Кировского тракторного завода (г. Санкт-Петербург).

НПО «Силава» в Латвийской ССР была разработана серия лёгких колёсных лесохозяйственных тракторов на базе машин Липецкого тракторного заводов.

С тех пор прошло уже достаточно много лет. Онежский, Алтайский, Липецкий тракторные заводы не существуют, но ходовые части специальных гусеничных лесных тракторов до сих пор визуально узнаваемы по использованию технического решения, предложенного создателями уже упомянутого первого в мире специального трелёвочного трактора КТ-12, -- по высоко поднятому переднему катку и задней ведущей звёздочке гусениц. Благодаря такому решению лесные гусеничные тракторы легко преодолевают специфические препятствия на лесосеке (кочки, пни, поваленные стволы, камни), не встречающиеся на сельхозугодьях или строительных площадках. Неудачный опыт эксплуатации машин Ковровского машиностроительного завода линейки МЛ показал, что гусеничный движитель обычной строительной машины плохо справляется с лесными препятствиями. На фото 8 хорошо видно различие ходовой части лесного и строительного тракторов.

Фото 8 Визуальное сравнение ходовой части лесного и строительного тракторов

Первостепенным достоинством гусеничного движителя перед колёсным трактором всегда называют проходимость. При равном весе машин у гусеничного движителя значительно больше площадь пятна контакта с поверхностью движения лесосеки и соответственно меньше давление и больше сила тяги при равных мощностях двигателей и КПД трансмиссии [59--65].

Благодаря низкому давлению на почвогрунты лесосек гусеничные лесные машины, при прочих равных условиях, показывают лучшую экологическую совместимость с лесной средой [49]. Исходя из того, что более чем на половине земель лесного фонда Российской Федерации преобладают почвогрунты III и IV категорий, т. е. со слабой несущей способностью, а также исходя из постепенного, но отчётливо видного потепления климата (с 1980 по 2020 г. период устойчивой зимней вывозки древесины с лесосек сократился на три недели [66]), гусеничные лесные машины достаточно часто более предпочтительны, нежели колёсные.

Исходя из сказанного выше (согласно действующему лесному законодательству, лесопользователи обязаны заниматься вопросами лесовосстановления) себестоимость восстановительных работ входит в общую стоимость продукции лесозаготовительного производства, а более средощадящее воздействие гусеничных лесных машин по сравнению с колёсными (при прочих равных условиях) способствует повышению не только экологической, но и экономической эффективности заготовки и восстановления лесных ресурсов [67], [68].

Безусловно, при плохих почвенно-грунтовых условиях, при глубоком снеге колёсные лесные машины можно оснастить упомянутыми выше колёсными гусеницами, но их приобретение требует дополнительных (и не малых) финансовых затрат. Причём, как показано на рисунке 1, для различных условий эксплуатации, на каждую колёсную лесную машину требуется приобретение нескольких различных комплектов таких колёсных гусениц. На начало 2023 г. средняя стоимость комплекта гусениц на колёсную лесную машину 8к8 составляет 2 млн 520 тыс. руб., т. е. если на одну колёсную лесную машину потребуется приобрести минимально разумный комплект из болотоходных и снегоходных гусениц [69], то затраты составят более 5 млн руб. Без колёсных гусениц тяжёлые колёсные лесные машины наносят ощутимый вред лесной среде, заключающийся в переуплотнении почвы, которое приводит к снижению её аэрации, ухудшению гидрологического режима, а также колееобразованию, что в дальнейшем зачастую служит очагом развития водной, а иногда и ветровой эрозии [70--75].

На фото 9 показана глубокая колея, оставленная колёсной лесной машиной за один проход. Если учитывать, что наиболее нагруженными (с самым большим весом) являются трелёвочные системы и что для трелёвки заготовленных на пасеке лесоматериалов приходится сделать по одному волоку не один десяток рейсов, то становится очевидным, что поле работы колёсной лесной машины в таких условиях лесной среде будет нанесён практически невосполнимый ущерб. Причём этот ущерб будет пролонгирован на очень длительный срок. Помимо снижения экологических функций лесного насаждения на долгие годы, будут существенно увеличены сроки лесовосстановления и снижено его качество, как по приросту, так и по товарной ценности следующей сукцессии насаждения [76--78].

Судя по результатам целенаправленного информационного поиска, ведущие позиции в вопросах экологической и эксплуатационной эффективности лесных машин сейчас занимает научная школа «Инновационные разработки в области лесозаготовительной промышленности и лесного хозяйства», базирующаяся в настоящее время в Арктическом государственном агротехнологическом университете (г. Якутск). Многочисленные научные публикации участников данной научной школы позволяют сделать однозначный вывод о том, что без использования дополнительных технических средств и/или технологических решений у гусеничного движителя (при прочих равных условиях) экологическая совместимость заметно выше, по сравнению с колёсным [79--81].

Фото 9 Глубокая колея, оставленная колёсной лесной машиной за один проход (Ленинградская обл., Выборгский р-н, 2022 г.)

Обратим внимание на то, что корневая система деревьев состоит из двух основных типов корней: якорных, которые обеспечивают крепление дерева в почвогрунте, как консольной балки; сосущих, обеспечивающих питание дерева растворёнными в воде минеральными веществами из почвогрунта. При проведении выборочных рубок леса повреждение или угнетение (за счёт переуплотнения окружающего почвогрунта) сосущих корней крайне негативно сказывается на последующем росте оставляемых на доращивание деревьев, подроста и молодняка. При этом сосущие корни, в основном, располагаются в верхнем почвенном слое почвогрунта [82], [83], толщина которого в бореальных лесах, особенно в лесах, расположенных на вечной мерзлоте, крайне невелика [84], [85]. На рисунках 2--7 представлены эпюры нагрузок и зависимости динамики колееобразования колёсных и гусеничных лесных машин, из которых наглядно видно подтверждение факта большей экологической совместимости гусеничных движителей с лесной средой [86--90].

Также отметим, что в Лесоводственных требованиях к технологическим процессам лесосечных работ, утверждённых Приказом Федеральной службы лесного хозяйства России от 29.11.1993 № 314, было регламентировано: «В целях предотвращения развития эрозионных процессов, ухудшения водно-физических свойств почвы и её плодородия <...> необходимо использовать на лесосечных работах машины с давлением в рабочем режиме не более 70 кПа для гусеничных и 150 кПа для колёсных движителей». К сожалению, в действующих Правилах заготовки древесины и особенностей заготовки древесины в лесничествах, указанных в статье 23 Лесного кодекса Российской Федерации, утверждённых Приказом Министерства природных ресурсов и экологии Российской Федерации от 01.12.2020 № 993, нет никакой конкретики ни по допускаемому давлению движителей лесных машин на почвогрунты, ни, что было бы более рациональным, по допускаемой глубине колеи.

Следует также иметь в виду, что уплотнение почвогрунта происходит не только непосредственно под движителем, но и на определённом расстоянии вбок от трелёвочного волока или технологического коридора [91--93].

Рисунок 2 Эпюра дополнительных напряжений в идеальном почвогрунте и его собственное давление при плотности 1,8 г/см³

Как показано на рисунке 6, динамика колееобразования может быть разной [94--96]. На прочных почвогрунтах за первые проходы движитель проминает верхний слой почвогрунта, после чего колея практически не увеличивается, динамика похожа на логарифмический закон (вариант 1, рисунок 6). В варианте 2 (рисунок 6) закон изменения динамики колеи, в принципе, тот же, только глубина проминаемого верхнего слоя почвогрунта больше. На слабых почвогрнутах (вариант 3, рисунок 6) процесс колееобразования не стабилизируется, глубина колеи постоянно растёт, пока ездовая возможность волока не будет исчерпана, т. е. глубина колеи сравняется клиренсом лесной машины. Интенсивность такого процесса может быть разной, что показывает разница между кривыми 3 и 4 на рисунке 6. При многократных проходах и большом давлении на почвогрунт, что характерно для колёсных машин, несущая способность прочного подстилающего слоя почвогрунта в определённый момент оказывается исчерпанной, после чего идёт резкий рост глубины колеи (вариант 5, рисунок 6), и машина может начать «тонуть» (фото 10).

Рисунок 3 Распределение давления на почвогрунт (МПа) по длине опорной поверхности в зависимости от влажности, скорости движения и тягового усилия гусеничного трактора

Рисунок 4. Эпюра напряжений в почвогрунте под гусеницами

Рисунок 5 Схема колееобразования под воздействием движителя

Рисунок 6 Типовые варианты динамики колееобразования: 1 -- изменение колееобразования по логарифмическому закону; 2 -- изменение колееобразования по логарифмическому закону с ускоренным проминанием колеи; 3 -- нестабилизирующийся рост глубины колеи; 4 -- нестабилизирующийся рост глубины колеи небольшой интенсивности; 5 -- изменение колееобразования по логарифмическому закону с последующим резким ростом

Как видно из рисунка 7, тяжёлый колёсный лесопромышленный трактор ЛТ-154 значительно интенсивнее образует колею (в равных условиях эксплуатации), нежели гусеничные тракторы.

Представленный на фото 10 производственный случай -- далеко не редкость при эксплуатации колёсных лесных машин, но достаточно редок для гусеничных. При этом после подобного «затопления» колёсного трактора его придётся везти в тёплый бокс, мыть, прочищать манжеты, сальники и т. д. [36]. В то время как для гусеничного трактора, даже если он попадёт в подобную неприятную ситуацию, такого большого количества работ по обслуживанию выполнять не придётся.

Рисунок 7 Динамика колееобразования гусеничных и колёсного трелёвочных тракторов в зависимости от количества проходов

Для снижения давления на почвогрунты лесосек (увеличения площади контакта с ездовой поверхностью), повышения проходимости на современные гусеничные лесозаготовительные машины (харвестеры на базе экскаваторов) устанавливают уширенную гусеничную ленту с уменьшенным числом грунтозацепов [97] (фото 11).

По сравнению с современными колёсными лесными машинами у гусеничных тракторов значительно проще в устройстве и обслуживании трансмиссия, она заметно менее требовательна к качеству и соблюдению сроков технического обслуживания [98], что в условиях лесозаготовительных предприятий России, особенно мелких, достаточно часто сложно обеспечить [99], [100].

Фото 10 «Затопление» колёсного форвардера при плохих почвенно-грунтовых условиях

Фото 11 Экскаваторный и харвестерный траки

При эксплуатации в условиях значительных отрицательных температур колёсные лесные машины предпочтительно не глушить (хотя это достаточно заметно увеличивает расход топлива, которое стоит сейчас достаточно дорого), поскольку большое количество резиновых уплотнителей и сальников в трансмиссии современного колёсного лесного трактора существенно снижает её надёжность при пуске машины в мороз [101].

Кроме того, в сильный мороз у колёсных машин падает давление в шинах, и его приходится контролировать, резина становится менее эластичной, что вкупе с падением давления в шине может привести к быстрому выходу колеса из строя [102], [103]. Ярким тому примером служат застревающие на трассах зимой в Якутии грузовики из-за лопнувших на морозе шин. А стоимость одного колеса (шины) современного лесопромышленного трактора на начало 2023 г. составляет 200--280 тыс. руб. У гусеничных лесных машин таких проблем нет. Комплект гусениц на лесной трактор типа ТТ стоит на начало 2023 г. около 200--250 тыс. руб. При этом, как уже было упомянуто, только один комплект колёсных гусениц стоит в 10 раз дороже, а на одну колёсную лесную машину желательно иметь два комплекта.

Если касаться стоимости колёсных и гусеничных машин в целом, помня о том, что лесозаготовительные предприятия одни из самых небогатых в лесном комплексе, а в связи с падением объёмов и закупочных цен на круглые лесоматериалы в последнее время (из-за введённых санкций) -- совсем небогатых, то очень полезно отметить, что при прочих равных условиях стоимость колёсной лесной машины составляет на 40--50 % больше, нежели гусеничной того же класса тяги и назначения [36].

Безусловно, у гусеничных лесных машин, по сравнению с колёсными, есть и ряд существенных недостатков. Прежде всего, это повышенный расход топлива (до 40 % при прочих равных условиях) и значительно меньшие скорости движения (при хороших почвенно-грунтовых условиях, неглубоком снеге), что существенно снижает производительность, особенно на транспортных операциях (прежде всего трелёвке) [48].

При сильно дефрагментированном лесосечном фонде приходится часто и на большие расстояния перевозить комплексы лесных машин (с лесосеки на лесосеку или с одного участка лесовосстановления/проведения других видов лесохозяйственных работ на другой) [104]. Колёсные лесные машины в принципе могут перемещаться при этом своим ходом, а гусеничные приходится перевозить только на трале, задействуя при этом дополнительную технику -- тягачи. При этом ещё и не по любой лесной дороге трал сможет пройти. Перемещение гусеничных машин своим ходом по дорогам может привести к разрушению дорожного покрытия, особенно твёрдого. Поэтому в отличие от колёсных движителей гусеничные машины не могут своим ходом перемещаться по дорогам общего пользования. Правда, нельзя забывать о том, что конструкция гидравлической трансмиссии колёсных лесных машин не предназначена для перемещения на длинные дистанции -- она начинает перегреваться, разве что форвардер Ponsse-Bison конструктивно предназначен для переездов на длинные расстояния [36].

У гусеничного движителя лесной машины очень большие динамические (ударные) нагрузки во время движения, особенно у трелёвочных тракторов, которые должны на возможно больших скоростях совершать холостые рейсы -- к месту набора пачки и грузовые рейсы -- к верхнему складу. При наездах на различные препятствия и съездах с них гусеничная лента то натягивается, то провисает, соединительные пальцы бьются в посадочных гнездах, иногда работая как насос, который засасывает в соединение жидкую грязь. Это приводит к достаточно быстрому износу.

Достаточно большой проблемой современного лесного машиностроения в России является очень низкое качество металла, из которого изготавливаются гусеницы для лесных машин [105]. Исходя из приведённого выше понятия «лесные и лесозаготовительные машины», следует уделить внимание вопросу, какие виды гусениц на них используют.

Обратим внимание на то, что лесные машины разного назначения совершают на лесосеке различное количество перемещений, что сказывается не только на конструкции технологического оборудования и движителя, но даже на ёмкости топливного бака. К примеру, ёмкость топливного бака харвестера или ВПМ значительно больше, чему у трелёвочных тракторов [106]. Это связано с тем, что лесозаготовительные машины должны валить деревья, перемещаясь между технологическими стоянками. Большой топливный бак им нужен, чтобы как можно реже им приходилось перемещаться к площадке верхнего склада (или погрузочного пункта) для дозаправки. В то же время трелёвочные тракторы регулярно доставляют на верхний склад (погрузочный пункт) лесоматериалы, и им проще лишний раз заправиться, чем возить на себе большой объём топлива, увеличивая тем самым коэффициент тары трактора, со всеми вытекающими из этого негативными последствиями.

В принципе можно подразделять лесные машины на транспортные и технологические. Транспортные лесные машины, прежде всего трелёвочные тракторы, в меньшей степени погрузчики, совершают большое количество перемещений (грузовой работы), технологические машины перемещаются меньше и выполняют рабочие или смешанные операции -- лесозаготовительные машины, процессоры, сучкорезные, и т. д. Есть, правда, транспортно-технологические машины -- харвардеры, ВТПМ [107], но в российском лесозаготовительном производстве в настоящее время они не используются.

Гусеничные лесозаготовительные машины (ВПМ, харвестеры), а также лесные машины -- процессоры и погрузчики делаются на базе строительных манипуляторных машин -- экскаваторов [108].

Как было отмечено выше, для трелёвочных тракторов желательно иметь меньший вес -- для снижения удельной энергоёмкости первичного перемещения заготовленных лесоматериалов. В связи с этим гусеничные трелёвочные тракторы оснащаются самыми простыми и лёгкими гусеницами с одноцевочным зацеплением, у которых последовательными шарнирами являются трак и палец, представляющие собой отливки. И всё это собирается с минимальными требованиями к точности, никаких уплотнений со смазкой в таких гусеницах нет. Такая гусеница стоит значительно дешевле, чем гусеницы для строительных машин, но срок её службы достаточно мал. И в связи с уже упомянутым выше существенным снижением качества металла, из которого эти гусеницы изготавливаются, срок службы их ещё более снижается.

Гусеница на строительных тракторах представляет собой цепь с закрытыми звеньями, с уплотнениями, в которые закладывается консистентная смазка, и к этой цепи на болты крепятся траки. Такие гусеницы стоят достаточно дорого, но имеют длительный срок эксплуатации. Благодаря смазке интенсивность их износа снижается достаточно существенно -- до 20 %. На фото 12 приведено визуальное сравнение экскаваторной гусеницы и гусеницы трелёвочного трактора.

По вариантам смазки шарниров также гусеницы подразделяют [ 109]:

¦ сухие (с открытым металлическим шарниром);

¦ закрытые (смазка закладывается в шарнир сразу на весь срок эксплуатации);

¦ с жидкой смазкой (имеются уплотнения, обеспечивающие герметичность шарнира для сохранения смазки);

¦ с резино-металлическим шарниром (между пальцем и звеном гусеницы устанавливается резиновая втулка);

¦ с игольчато-подшипниковым шарниром.

При установке на трактор металлических гусениц ведущие колёса имеют форму звёздочки, зубья которой входят в зацепление с гусеничной лентой. Если же на трактор устанавливают резино-металлические гусеницы, то они обычно имеют гладкую поверхность контакта с гладким колесом, у них передача крутящего момента осуществляется трением.

Фото 12 Визуальное сравнение экскаваторной гусеницы и гусеницы трелёвочного трактора

В настоящее время Правительство Российской Федерации уделяет большое внимание развитию арктических регионов. Корпорация развития Дальнего Востока и Арктики определяет Арктическую зону как крупнейшую особую экономическую зону в мире, где инвесторы пользуются специальными режимами налогового и административного регулирования.

В Арктическую зону входят девять регионов России (четыре относятся к ней полностью, пять -- частично). Площадь арктических территорий составляет 4,8 млн км² (28 % территории России). Ряд арктических регионов России имеет очень большой лесной потенциал: Архангельская область, Республика Саха (Якутия), Республика Карелия.

С экономической точки зрения арктические территории России представляют собой пояс, ориентированный на Северный морской путь, -- очень активно развиваемый сейчас Россий транспортный коридор. С климатической точки зрения достаточно часто к арктическим территориям относят леса криолитозоны, являющиеся особо экологически ранимыми и выполняющие крайне важную экологическую функцию -- депонирования больших запасов углерода [110]. Проведение лесосечных работ в лесах на вечной мерзлоте (а на них приходится более 50 % всей площади лесного фонда Российской Федерации) очень желательно приурочивать к зимнему периоду, дабы избежать повреждений мерзлотных почвогрунтов [111--116]. Но криолитозона известна своим резко континентальным климатом, длительными, сильными морозами и коротким, жарким летом.

При работе в сильный мороз у любых машин возникают проблемы, связанные с морозной хрупкостью -- «охрупчиванием» (Embrittlement) металлов, резины, других используемых в их конструкциях конструкционных материалов. Ведущие производители лесных машин рекомендуют прекращать их эксплуатацию при морозе более -40 °С. Да, сейчас несложно приобрести специальную жидкость для гидравлической системы, которая не замёрзнет и при -50 °С, но металлическая конструкция лесных машин «сдаётся» значительно раньше.

Совершенно своеобразные условия эксплуатации лесных машин возникают при снежном покрове, который в определённых случаях создаёт столь же неудобные условия работы, как слабые почвогрунты в тёплый период года. Также приходится использовать схемы транспортного освоения лесосек с большей густотой трелёвочных волоков и технологических коридоров. С одной стороны, снежный покров укрывает различные единичные препятствия -- в виде брёвен, пней, кочек, камней и т. д. С другой стороны, он увеличивает коэффициент сопротивления перемещению машины, при поворотах гусеничной машины снег норовит забиться в гусеницы, и при этом полезно помнить, что большую часть ездового времени гусеничный трелёвочный трактор движется в режиме поворота.

Обсуждение и заключение

Результаты вышеприведённого анализа сложившейся ситуации в современном состоянии лесного машиностроения Российской Федерации, а также с импортом лесных машин, запасных частей и расходных материалов к ним из недружественных стран показывают, что отечественные лесные машины на базе гусеничного шасси имеют очень большие перспективы широкого применения в лесном хозяйстве и в лесозаготовительном производстве. Эти машины, по сравнению с колёсными, значительно экологичнее, дешевле в производстве и эксплуатации, на российских машиностроительных заводах есть большой опыт производства такой техники. За счёт значительно более простой конструкции нет проблем обеспечить 100 %-ю локализацию комплектующих внутри нашей страны. Определённую, но значимую проблему производства лесных машин вообще (и гусеничных, в частности) вызывает резко ухудшившееся, со времён СССР, качество металлов, поставляемых с отечественных металлургических комбинатов.

Совершенствование конструкции и повышение эффективности эксплуатации гусеничных лесных машин напрямую относится к научной специальности 4.3.4 «Технологии, машины и оборудование для лесного хозяйства и переработки древесины».

Список литературы

1. Сравнение подходов к типологии лесных насаждений России и европейских стран / О. И. Григорьева, А. С. Старовойтова, В. А. Макуев [и др.] // Системы. Методы. Технологии. 2022. № 3 (55). С. 71--77.

2. Метод оценки эффективности лесовосстановительных мероприятий с учётом параметров лесотранспортной сети / Р. Н. Ковалев, И. М. Еналеева-Бандура, А. Н. Баранов [и др.] // Системы. Методы. Технологии. 2022. № 4 (56). С. 64--71.

3. Куницкая О. А., Помигуев А. В. Повышение эффективности лесопользования за счёт использования непостоянных лесных складов // Управление земельными ресурсами, землеустройство, кадастр, геодезия и картография. Проблемы и перспективы развития: Сб. материалов Всерос. научно-практич. конф. с междунар. участием, посвящённой 255-летию Землеустройству Якутии и Году науки и технологий. Якутск, 2021. С. 314--320.

4. Технология и система машин для разрубки трасс линейных объектов / И. В. Григорьев, О. А. Куницкая, С. Е. Рудов [и др.] // Энергия: экономика, техника, экология. 2019. № 10. С. 62--68.

5. Перспективы импортозамещения систем машин для искусственного лесовосстановления / О. И. Григорьева, В. А. Макуев, Е. В. Барышникова [и др.] // Системы. Методы. Технологии. 2022. № 3 (55). С. 78--84.