CC BY
4
УДК 630.37.(075.8)
КОНЦЕПЦИЯ МАШИНЫ ДЛЯ ЗАГОТОВКИ И ТРАНСПОРТИРОВКИ ЛЕСНОГО НЕДРЕВЕСНОГО РАСТИТЕЛЬНОГО СЫРЬЯ
В.Н. Холопов, В.Н. Невзоров, В.А. Лабзин
Сибирский государственный технологический университет, Красноярск, Россия 660049 Красноярск, проспект Мира, 82; е-таД:а11т10а@уа.га
Обоснована возможности сбора и использования природного растительного потенциала на территории Красноярского края. Выполнена систематизация недревесного растительного сырья по видам растений, произрастающих в лесных районах Красноярского края, которые являются ценными пищевыми, лекарственными и техническими продуктами для последующей переработки. Для заготовки сырья разработана структурная модель шасси машины различного применения и конструктивного исполнения для различных технологических операций и выполнения работ в лесных, горных и труднодоступных болотистых районах. Предложена модульная сочленённая гусеничная машина с гибкой технологией, которая позволит обеспечить заготовку, первичную обработку и транспортировку недревесных лесосырьевых ресурсов.
Ключевые слова: недревесная продукция леса, сырьё, горные районы, болотистые районы, работа, машина, транспортирование, технологические операции, движение, шасси, структурная схема, модель, гусеница, колесо, шина, тележка, силовая переача, дифференциал, сочленённая машина, шарнир, модуль, сцепное устройство, технологическое оборудование, гибкие процессы
The proved possibilities of gathering and use of the natural vegetative raw in territory of Krasnoyarsk region. Fulfill systematization of not wood of vegetative raw by kinds of the plants growing in forest areas of Krasnoyarsk region which are valuable wood, medicinal and technical products for the subsequent processing. For procurement raw is developed the structural model of the chassis machine of the various application and a constructive executions for various technological operations and fulfill of works in forest, mountain and remote marshy areas. The modular jointed track lay machine with flexible technology which will allow providing preparation, preprocessing and transportation not woods forest raw resources is offered.
Key words: not wood production of forest, raw, mountain areas, marshy areas, work, machine, transportation, technological operations, movement, chassis, structural schema, model, caterpillar, wheel, tire, cart, power transmission, differential, jointed machine, hinge, module, the drawbar, technological equipment, flexible processes
ВВЕДЕНИЕ
Красноярский край - крупнейший и один из наиболее экономически развитых регионов Сибири. Обладая богатейшими природными лесными ресурсами, районы Красноярского края недостаточно используют собственный ресурсный растительный потенциал, при этом отдельные виды недревесного растительного сырья, получаемая при их переработке, пользуются повышенным спросом в России и является ценной экспортной продукцией.
Перечень основных видов пищевого, лекарственного и технического сырья, которые возможно собирать в лесных районах Красноярского края, приведен на рисунке 1. Условия произрастания растений, которые могут заготавливаться в Красноярском крае, отличаются большим разнообразием, при этом основные недревесные растительные ресурсы в Красноярском крае расположены в горных и в труднодоступных болотистых районах. Доступный потенциал недревесных лесных ресурсов Красноярского края составляет лишь 36 % совокупного потенциала и оценивается в 7,8 млрд. руб. Фактически используется лишь незначительная часть (0,6 %) от общего доступного потенциала. В тех районах, где нет необходимой транспортной сети или ее необходимость ограничивается экологической и защитной обстановкой, заготовка ресурсов, несмотря на их наличие, не представляется возможным.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Машины по роду выполняемой технологической работы по сбору, первичной обработки и транспортировки недревесного сырья можно разделить на три группы: машины, выполняющие технологическую работу при движении; машины; выполняющую технологическую работу при стоянке машины; выполняющие технологическую и при стоянке, и при движении (Бендерский, 2001, 2002; Егошина, 2005; Шевелёв, 1997). В связи с этим эксплуатационные свойства таких машин, а, следовательно, и требования к их конструкции, должны быть разделены на три группы (Невзоров, 2010). К первой группе относятся свойства, обеспечивающие подвижность машины: проходимость, управляемость, устойчивость, динамичность, топливную экономичность, плавность хода. Свойства второй группы определяются при неподвижном состоянии машины и связаны с её компоновочными характеристиками и особенностями использования при эксплуатации. К третьей группе относятся эксплуатационные свойства, определяющие работу смонтированного на машине технологического оборудования. Эксплуатационные
свойства машины, связанные с её экологической совместимостью с окружающей средой при выполнении определённых технологических операций, входят в первую и третью группы.
Эксплуатационные свойства машины для сбора, первичной обработки и транспортировки недревес-
ного растительного сырья ввиду многообразия выполняемых технологических операций и многообразия условий её работы определяться должны указанными тремя группами. Это представляет исключительную сложность проектирования и создания такой машины, требует создания научных основ для соответствующего изменения существующих конструкций колёсных и гусеничных машин и повышения эффективности их использования.
Для возможности механизации процесса заготовки недревесного растительного сырья и
безопасной эксплуатации машин в сложных условиях базовое шасси машины должно соответствовать ряду требований, к которым, безусловно, относятся следующие:
• возможность движения через стену леса с преодолением встречающихся препятствий в виде поваленных деревьев;
• возможность работы на склонах крутизной до 400 с гарантированным исключением опрокидывания при выполнении любых транспортных и технологических операций;
Недревестное растительное сырьё
Ягоды Семена Грибы Прочее сырьё
Брусника
Чесника
Клюква болотная
Земляника лесная
Клубника
Мооошка
Голубика
Жимолость
Можжевельник
Жимолость
Калина
обыкновенная
Малина
Смородина
Ряб г
Сибї
Чеоемтха
обыкновенная
Облепиха
Кедра сибирского Грузди
Кедрового стланика Рыжики
Сосны Опята
Лиственницы Лисички
Ели Белые
Пихты Маслята
Берёзы Подосиновики
Клёна Подберёзовики
Шиповника Чага
Черемша
Папоротник
Пихтовая лапка
Сосновая лапка
Еловая лапка
Пихтовый бальзам
Луб, кора береста
Древесный сок
Корни
лекарственных
растений
Мхи
Лишайники
Соцветия, стебли и листья лекарственных растений
Рисунок 1 - Перечень основных видов недревесного растительного сырья
• возможность работы в условиях, исключающие затопления машины, при этом среднее удельное давление на опорную поверхность должно быть не более 120-130 г/см2 на почвах с низкой несущей способностью, в том числе на болотах;
• возможность преодоления водных препятствий;
• возможность работы с минимальным повреждением растительности и верхнего слоя почвы;
• возможность быстрой смены технологического оборудования;
• минимальная цена базового шасси машины;
• минимальные эксплуатационные расходы при выполнении всех технологических операций по
заготовке, первичной обработки и транспортировке недревесного сырья.
Структурная модель шасси такой машины представлена на рисунке 2. В зависимости от преимущественных условий эксплуатации шасси, которое должно включать в себя моторно-трансмиссионную установку, ходовую часть, кабину с системами управления, может быть выполнено горным, болотоходным, плавающим, а также предназначенным для работы в равнинно-холмистой местности.
В случае исполнения шасси в горном варианте оно должно быть снабжено оборудованием, которое обеспечит исключение опрокидывания шасси и ограничение его скольжения вниз по склону.
Шасси
Функциональные
исполнения
Вспомогательные
оборудования
КоМПОНОВОЧНЫе
схемы
Модули
Виды шасси
Колёсное | Гусеничное Колёсное Гусеничное
Конструктивные
особенности
Звенчатые гусеницы Ленточные гусеницы Цельнолитые резино-кордные ‘ гусеницы ТрёХ- колёсное Четырёх- колёсное Шести- колёсное:
Рисунок 2 - Структурная модель шасси машины
В зависимости от вида выполняемых технологических операций и преимущественных условий эксплуатации шасси может быть как сочленённым, которое включает в себя соединённые сцепным устройством энергетический модуль и модуль со смонтированным на нём технологическим оборудованием, и может быть несочленённым, включающим в себя только энергетический модуль, на котором монтируется технологическое оборудование.
Несочленённое шасси может быть как гусеничным, так и колёсным, при этом несочленённое шасси может быть спроектировано только для работы в равнинных или холмистых условиях, поскольку такое шасси не обладает необходимой устойчивостью в первую очередь по условиям опрокидывания. Колёсный вариант с целью получения необходимой для лесных условий опорной проходимости должен быть оборудован колёсами сверхнизкого давления (0,1 - 0,3 технической атмосферы), которые обеспечат и плавучесть шасси. Число колёс может варьироваться от трёх до шести, при этом с увеличением числа колёс увеличивается как грузоподъёмность шасси, так и его опорная проходимость, и устойчивость при преодолении водных препятствий. Следует отметить, что несочленённое шасси имеет ограниченные технологические возможности.
Наиболее полно может отвечать предъявляемым требованиям к машине для сбора, первичной переработки и транспортировки недревесного растительного сырья сочлененная модульная машина с гибкой технологией и с применением новых концепций и технических решений. Сочленённое шасси, как и несочленённое, может быть выполнено как в колёсном, так и в гусеничном вариантах. В
случае колёсного варианта оно может иметь в зависимости от предъявляемых технологических требований и конкретных природно-климатических условий от четырёх до двенадцати колёс, в том числе колёс сверхнизкого давления.
Машина для заготовки, первичной обработки и транспортировки недревесного сырья в горных условиях в своей основе должна иметь сочленённое гусеничное шасси. Сочленённое гусеничное шасси может быть выполнено по трём принципиально различным схемам. Первая, так называемая прицепная, схема сочлененной машины, состоящая из двух или трех независимых модулей, соединенных энергетически и кинематически с помощью специальных поворотно-сцепных устройств (рис. 3). Управление движением выполненного по этой схеме шасси обеспечивается поворотом в горизонтальной плоскости одного модуля относительно другого.
Рисунок 3 - Сочлененное шасси с одним шарниром в сцепном устройстве
Вторая, так называемая полуприцепная или седельная, схема имеет общую грузовую платформу, связанную в передней части с гусеничным тягачом, а в задней части — с гусеничной поворотной или
неповоротной тележкой (рис. 4). Управление движением шасси по этой схеме происходит за счет поворота гусеничного тягача относительно грузовой платформы.
Шасси, выполненное по третьей компоновочной схеме, имеет единый несущий корпус (или раму), в передней и задней частях которого установлены ведущие гусеничные тележки, способные принудительно поворачиваться в горизонтальной плоскости на требуемые углы относительно корпуса (или рамы) (рис. 5).
Рисунок 5 - Сочлененное шасси с двумя поворотными тележками
Шасси, выполненные по второй и третьей схемам, имеют ограниченные технологические возможности, обладают большой массой и предназначены преимущественно для выполнения транспортных работ. Шасси, выполненные по первой схеме, имеют наиболее высокие, сравнительно с другими машинами, опорную и профильную проходимости, позволяют использовать гибкие технологические процессы. Поэтому машина для сбора, первичной обработки и транспортировки недревесного сырья, обладающая технологической гибкостью, может быть создана по первой схеме сочленённой машины.
В качестве гусениц с целью уменьшения веса на таких шасси могут быть использованы
резинокордные армированные ленты, цельнолитые резиновые, или пневматические гусеницы.
Как сочленённая, так и несочленённая машины могут иметь в своём составе активный (с ведущими гусеницами или колёсами) или неактивный дополнительный прицепной транспортной модуль.
В сочленённой машине, состоящей из соединённых сцепным устройством двух гусеничных тележек, двигатель располагается на одной из тележек, энергия которого передаётся на гусеницы обоих тележек. Сцепное устройство может иметь несколько степеней свободы, что затрудняет передачу энергии от одной тележки к другой чисто механическим путём, и, тем самым, увеличивает вероятность использования на таких сочленённых машинах электро- или гидромеханических трансмиссий. Поскольку на другой тележке должно быть смонтировано технологическое оборудование, являющееся потребителем энергии, то на малогабаритной машине, предназначенной для сбора и транспортировки недревесного сырья, наиболее целесообразно использование гидромеханических трансмиссий.
Структурная схема разомкнутой гидромеханической силовой передачи (трансмиссии) малогабаритной сочленённой гусеничной машины, включающей в себя моторную и технологическую тележки, показана на рисунке 6. При составлении схемы использованы следующие изобретения: а. с. СССР № 1761578, Бюл. 34, патент России № 2015053, Бюл.12.
С двигателем внутреннего сгорания соединена коробка отбора мощности, основу которой составляет дифференциальный механизм. Водило дифференциального механизма связано с двигателем внутреннего сгорания, коронная шестерня соединена со сцеплением, которое, в свою очередь соединено с коробкой передач. Солнечная шестерня дифферециального механизма через зубчатую передачу соединена с ротором регулируемого гидронасоса. Гидронасос гидравлически соединён с гидромотором (гидромоторами), далее соединённый через механическую передачу с гусеницами технологической тележки. Такая схема с регулируемым гидронасосом позволяет получить бесступенчатое изменение передаточного числа привода гусениц и питание энергией технологического оборудования при остановленной машине. Для преимущественного использования машины в определённых эксплуатационных условиях должны быть созданы модификации машины при максимальной их унификации.
Силовая передача моторной тележки
Межгусеничный дифференциал Главная передача
моторной тележки моторной тележка
Двигатель
Коробка отбора мощности с дифференциальным механизмом
Сцепление — Коробка передач
Гидронасос
Г
Гидромоторы привода гусениц технологическаой тележки
Гусеницы технологической тележки
Силовая передача технологической тележки
Рисунок 6 - Схема разомкнутой гидромеханической силовой передачи малогабаритной сочленённой машины
Основой создания таких модификаций должна быть универсальная машина, способная работать в любых природно-климатических условиях. Машины горной модификации должна быть выполнена с возможностью наклона моторно-трансмиссионного блока либо в продольной и поперечной плоскостях, либо только в продольной плоскости. Машина, предназначенная для работы на заболоченных участках, должна быть выполнена без устройств, обеспечивающих наклон моторно-трансмиссионного блока, но с уширенными гусеницами. Для работы в условиях болот с низким допустимым удельным давлением корпуса энергетического и технологического модулей должны быть выполнены герметичными для обеспечения плавучести машины. Как универсальная машина, так и её модификации могут быть созданы на основе моторнотрансмиссионных блоков существующих колёсных тракторов.
Большинство работ по заготовке недревесного растительного сырья производится без какой-либо механизации. Повышение объёмов заготовок возможно путём полной или частичной замены ручного труда в связи, с чем транспортное средство, обладающее высокой проходимостью, должно быть оборудовано технологическим оборудованием для выполнения необходимых технологических операций по заготовке и первичной обработки недревесного растительного сырья. Структурная модель такого технологического оборудования показана на рисунке 7.
Технологическое оборудование машины для сбора, первичной обработки и транспортировки недревесного сырья в зависимости от спектра выполняемых технологических операций может быть выполнено виде сменного технологического модуля, сменного технологического оборудования, а также в виде съёмного технологического оборудования.
Варианты
исполнения
технологического
оборудования
Техно логическое оборудование
Сменный технологический модуль Сменное технологическое оборудование
Назначения
технологического
оборудования
Варианты пени шеи- и тёщйнайет&окоШ оборудования
Оборудование ада заготовки
Оборудование для транспортировки
Оборудование для обработки
Комбинированное
оборудование
Оборудование для заготовки семян Оборудование для заготовки хвойной лапки Прочее оборудование Сушильное оборудование Шелушильное оборудование Прочее оборудование
Рисунок 7 - Структурная модель технологического оборудования
В первом случае машина должна быть снабжена несколькими технологическими модулями с различным технологическим оборудованием, при этом конструкция сцепного устройства должна обеспечивать быструю сцепку - отцепку энергетической и технологической тележек. Конструкция энергетической тележки должна в этом случае обеспечивать возможность её движения и маневрирования при отцепленной технологической тележке. При уменьшении габаритов и массы технологического оборудования оно может быть выполнено в виде сменного, при этом необходимость в операции сцепки - расцепки энергетического и технологического модулей отпадает, но при этом технологический модуль должен быть снабжён соответствующим монтажным оборудованием, чтобы в условиях леса обеспечить смену технологического оборудования.
Съёмное технологическое оборудование - механизированное или немеханизированное оборудование, которое должно доставляться к месту проведения работ на технологическом или транспортном модуле и выполнять технологические операции независимо от машины.
Технологическое оборудование по своему назначению может быть разделено на оборудование для заготовки недревесного растительного сырья, на оборудование для первичной обработки заготовленного сырья и оборудование для транспортировки обработанного или необработанного растительного сырья. Технологическое оборудование для заготовки и первичной обработки недревесного растительного сырья должно иметь различное конструктивное исполнение в зависимости от вида заготавливаемого сырья.
ВЫВОДЫ
1. Для механизации процесса заготовки недревесного растительного сырья и безопасной эксплуатации машин в сложных условиях базовое шасси машины комплектуется по функциональному признаку с компоновочной схемой обеспечивающей условия проходимости и выполнение требуемых технологических операций.
2. Для преимущественного использования машины в определённых эксплуатационных условиях должны быть созданы модификации машины при максимальной их унификации.
3. Модульная сочленённая гусеничная машина с гибкой технологией позволит обеспечить заготовку, первичную обработку и транспортировку недревесных лесосырьевых ресурсов.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
Бендерский, Ю.Г. Проблемы экономической оценки природно-ресурсного потенциала Красноярского края / Ю.Г. Бендерский, И. В. Варфоломеев, А. П. Лопатин. - Красноярск: Кларетианум, 2001. - 63 с. Бендерский, Ю.Г. Теоретические и прикладные аспекты экономической оценки биоресурсного потенциала Красноярского края / Ю. Г. Бендерский, И. В. Варфоломеев, А. П. Лопатин, В. Д. Петренко. - Красноярск: Кларетианум, 2002. - 95 с.
Егошина, Т. Л. Недревесные растительные ресурсы России / Т. Л. Егошина. - М.: НИА - Природа, 2005. -164 с.
Шевелёв, С.Л. Ресурсы недревесного сырья в лиственнично-сосновых лесах Енисейского кряжа / С. Л. Шевелёв - Известия высших учебных заведений. Лесной журнал. № 4. - 1997.
Невзоров, В.Н. К вопросу создания машины для заготовки и транспортировки недревесных лесосырьевых ресурсов / В. Н. Невзоров, В. Н. Холопов, В. А. Лабзин - Инновации в науке и образовании: опыт, проблемы, перспективы развития: материалы Все-рос. очно-заочной науч.- практ. и науч.- метод. конф. с междунар. участием. Ч. 2. Инновации в научно-практической деятельности / Краснояр. гос.аграр. ун-т. - Красноярск, 2010. - С. 103 - 106. Холопов, В.Н. Моторная тележка модульной сочленённой гусеничной машины / В. Н. Холопов, В. А. Лаб-зин - Вестник КрасГАУ, вып. 9, 2010. - С. 159 -163 .
А. с. СССР, В 62 Б 59/02. Трансмиссия активного автопоезда / В. Н. Холопов; Заявитель Сибирский технологический институт. - № 1761578; заявл.
22.12.89; опубл. 15.09.92, Бюл. № 34.
Патент 2015053 Российская Федерация, В 62 Б 59/04. Шарнирно-сочленённая машина / Холопов В. Н.; Заявитель и патентообладатель Сибирский технологический институт. - № 4936407/27; заявл.
14.05.1991; опубл. 30.06.1994, Бюл. № 12.
Поступила в редакцию 3 апреля 2012 г. Принята к печати 16 мая 2013 г.
