Bryansk, Russian Federation
from 01.01.2015 until now
Voronezh, Russian Federation
Increasing labour productivity in mechanised logging is constrained by environmental damage from heavy machinery: specific ground pressure reaches 0.08–0.12 MPa, rut depth – 20–30 cm, root system damage to remaining trees – up to 60–70%. Reducing the negative impact is possible by using general-purpose tractors with mounted attachments. Based on the analysis of existing devices (LTN 50 skidding winches, ZT 140 M grapple grabs, UTU 2 “PAUK M”, HRZ and Uniforest grapples), it was found that the most effective is a mounted skidding trolley with a grapple operating in semi-suspended mode. The authors propose two patented design variants [24]. Key parameters: load capacity up to 5 t (bunch volume up to 6 solid m³), trolley weight 380 kg, clamping force of jaws at least 35 kN, hydraulic system working pressure 16–20 MPa, grab/release cycle time 5–8 s. Attachment to a tractor (e.g., MTZ-320) is via a category 2 three-point hitch (GOST 3480–76). During the working stroke, the trolley rolls on 6.50–10 pneumatic tyres, relieving the tractor’s rear axle by 35–40%, reducing traction resistance by 25–30% and specific ground pressure to 0.02–0.03 MPa (3–4 times lower than with choker skidding), and rut depth to 5–8 cm. During idle travel, the trolley is raised to a clearance of at least 400 mm, increasing tractor manoeuvrability (turning radius reduced by 20–25%) and reducing chassis wear. Traction calculation for the MTZ-320 tractor (power 26.48 kW, η=0.85) showed a tangential traction force of 16.55 kN, permissible bunch weight of 30.8 kN, bunch volume of 2.8–3.9 m³ depending on log length (4.5 m). Shift productivity at a skidding distance of 100 m and a log volume of 0.38 m³ is 97.7–104.8 m³/shift depending on the speed mode (idle speed 1.81–2.49 m/s, loaded speed 1.02–1.36 m/s). The developed 3D models and kinematic schemes confirm the trolley’s adaptation to terrain irregularities (angular movements up to ±15°) and high maintainability in field conditions.
logging, skidding, skidding attachments, skidding trolley, modeling, environmental sustainability of forest management
Введение
Повышение производительности труда на основе комплексной механизации и автоматизации производственных процессов является одной из важнейших задач лесной промышленности. Однако применение тяжелой техники зачастую приводит к серьёзным экологическим последствиям. Перемещение лесовозных машин по естественному грунту наносит ущерб почве и оставшимся деревьям, размер которого зависит от вида, сопротивления и состояния почвы, от массы и частоты движения машин, а также от длины бревен [1–3]. Для снижения вредного воздействия лесозаготовительной техники на почву предлагается учитывать рельеф местности, подбирать модификации машин и эффективно осуществлять планирование лесозаготовок [4–7].
На лесозаготовительных предприятиях наблюдается устойчивая тенденция к внедрению постепенных (выборочных) рубок леса [8, 9]. Однако номенклатура машин, специализированных для выборочных рубок, выпускаемых как зарубежными, так и отечественными производителями, остаётся ограниченной. Применение технологического оборудования с клещевым захватом делает возможной трелёвку как сформированных валочно-пакетирующими машинами пачек деревьев, так и одиночных деревьев (хлыстов), а также составленных из них пачек. Основным преимуществом трелёвки пачками является то, что захват и транспортировка всей пачки происходят за один цикл, что заметно сокращает временные затраты на погрузочно-разгрузочные работы, увеличивает долю транспортной составляющей в работе трелёвочного трактора и, как следствие, повышает его производительность [10, 11]. Вместе с тем указанный способ предъявляет повышенные требования к пачке: она должна быть компактно сформирована, располагаться в удобном для подъезда трактора месте и обеспечивать полную загрузку агрегата [3]. Недостатком метода выступает необходимость использования дорогостоящих валочно-пакетирующих машин. Вследствие этого валку преимущественно выполняют бензопилами, что существенно затрудняет сбор трелюемой пачки [6].
Кроме того, в настоящее время [27] по различным причинам производство специальных лесозаготовительных машин для сплошных рубок леса практически прекращено, а для рубок ухода такая техника никогда не выпускалась. В связи с этим для выполнения лесозаготовительных работ предлагаются разнообразные варианты использования тракторов общего назначения, оснащаемых специальными навесными приспособлениями [12, 13].
При выборе лесозаготовительной техники (харвестеров, форвардеров, погрузчиков, сортиментовозов) необходимо учитывать не только их технические характеристики, но и возможность интеграции в единое цифровое пространство, позволяющее осуществлять оперативное планирование работы машинных комплексов [14–16], контроль технического состояния машин и управление их техническим обслуживанием и ремонтом посредством телекоммуникационных технологий [17–19].
Цель работы
Разработка навесного трелёвочного приспособления для бесчокерной трелёвки сортиментов или маломерных деревьев (хлыстов) на базе трактора общего назначения, (малогабаритного трактора типа МТЗ‑320).
Материалы и методы
Объектом исследования являлись навесные трелёвочные приспособления, агрегатируемые с тракторами общего назначения, а также разработанные авторами конструкции трелёвочных тележек на основе патентного решения [24]. Предметом исследования выступали кинематические, геометрические и тягово-энергетические параметры указанных устройств.
Теоретическую базу исследования составили труды отечественных и зарубежных учёных в области механизации лесозаготовок и экологии лесопользования, а также нормативно-техническая документация, включая ГОСТ 3480–76 на трёхточечную навеску. Сбор первичной информации осуществлялся методом систематического поиска по базам данных eLibrary.ru, ResearchGate.net и открытым интернет-ресурсам с формированием запроса «трелёвочные приспособления к лесозаготовительной технике» и его англоязычных аналогов. Дополнительно применялся метод патентного поиска, в рамках которого проанализирована отечественная и зарубежная патентная документация, включая патент [25]. Обработка полученных данных выполнялась методами контент-анализа и сравнительной оценки конструктивных решений, что позволило систематизировать существующие трелёвочные устройства (лебёдки, клещевые захваты, трелёвочные тележки) и выявить их преимущества и недостатки. На основе проведённого анализа разработана авторская классификация методов трелёвки (рисунок 1) и видов трелёвочных приспособлений для бесчокерной трелёвки (рисунок 4).
Геометрическое и параметрическое 3D-моделирование разработанной патентной конструкции трелёвочной тележки выполнялось в среде твердотельного моделирования. На основе построенных трёхмерных моделей (рисунки 11 и 12, б) проведён кинематический анализ механизма подъёма стрелы и захвата, определены зоны рабочих перемещений, углы поворота ротатора (360°), траектории движения клещевин и их предельные положения. Исследованы угловые перемещения стрелы (до ±15° относительно горизонтали) и синхронизация работы гидроцилиндров.
1. Marra E., Laschi A., Fabiano F. et al. Impacts of wood extraction on soil: assessing rutting and soil compaction caused by skidding and forwarding by means of traditional and innovative methods. European Journal of Forest Research. 2022;141:1-16. DOI:https://doi.org/10.1007/s10342-021-01420-w.
2. Labelle E.R., Hansson L., Högbom L. et al. Strategies to Mitigate the Effects of Soil Physical Disturbances Caused by Forest Machinery: a Comprehensive Review. Current Forestry Reports. 2022;8:3-25. DOI:https://doi.org/10.1007/s40725-021-00155-6.
3. Borz S.A., Mariş A.C., Kaakkurivaara N. Performance of Skidding Operations in Low-Access and Low-Intensity Timber Removals: A Simulation of Productivity and Fuel Consumption in Mature Forests. Forests. 2023;14(2):265. DOI:https://doi.org/10.3390/f14020265.
4. Visser R., Spinelli R. Benefits and Limitations of Winch-Assist Technology for Skidding Operations. Forests. 2023;14(2):296. DOI:https://doi.org/10.3390/f14020296.
5. Cambi M., Certini G., Neri F., Marchi E. The impact of heavy traffic on forest soils: A review. Forest Ecology and Management. 2015;338:124-138.
6. Solgi A., Najafi A., Page-Dumroese D.S., Zenner E.K. Assessment of topsoil disturbance caused by different skidding machine types beyond the margins of the machine operating trail. Geoderma. 2020;367:114238.
7. Szewczyk K., Iwanicki P. Evaluating the suitability of machinery use during skidding of wood in pine stands. Forest Research Papers. 2019;80:219-226. DOI:https://doi.org/10.2478/frp-2019-0020.
8. Handžić S., Đukić M., Petkovic V., Marčeta D. Productivity of TIMBERJACK 240A and LKT 81T Skidders at Selective Cutting and Longer Distances. South-east European forestry. 2024;15. DOI:https://doi.org/10.15177/seefor.24-08.
9. Kulak D., Stańczykiewicz A., Szewczyk G. Productivity and Time Consumption of Timber Extraction with a Grapple Skidder in Selected Pine Stands. Croatian Journal of Forest Engineering. 2017;38:55-63.
10. Borz S., Mariş A.-C., Kaakkurivaara N. Performance of Skidding Operations in Low-Access and Low-Intensity Timber Removals: A Simulation of Productivity and Fuel Consumption in Mature Forests. Forests. 2023;14:265. DOI:https://doi.org/10.3390/f14020265.
11. Visser R., Spinelli R. Assessment of a winch-assisted skidder in Castle Downs Forest, New Zealand. 2020.
12. Dudek T., Janas D. The Productivity and the Costs Forwarding Wood of a Farm Tractor with a Trailer in Late Thinning and Cutting in Gaps of Forests. Forests. 2022;13:1309. DOI:https://doi.org/10.3390/f13081309.
13. Visser R., Spinelli R. Benefits and Limitations of Winch-Assist Technology for Skidding Operations. Forests. 2023;14:296. DOI:https://doi.org/10.3390/f14020296.
14. Labelle E.R., Kemmerer J. Business Process Reengineering of a Large-Scale Public Forest Enterprise Through Harvester Data Integration. Croatian journal of forest engineering. 2022;43. DOI:https://doi.org/10.5552/crojfe.2022.1129.
15. Söderberg J., Wallerman J., Almäng A., Möller J., Willén E. Operational prediction of forest attributes using standardised harvester data and airborne laser scanning data in Sweden. Scandinavian Journal of Forest Research. 2021;36:1-9. DOI:https://doi.org/10.1080/02827581.2021.1919751.
16. Kemmerer J., Labelle E.R. Using harvester data from on-board computers: a review of key findings, opportunities and challenges. European Journal of Forest Research. 2021;140. DOI:https://doi.org/10.1007/s10342-020-01313-4.
17. Gurski A., Ivashko V. Using transport telematics and remote diagnostics to improve vehicle maintenance and repair. Proceedings of the National Academy of Sciences of Belarus, Physical-Technical Series. 2020;65:375-383. DOI:https://doi.org/10.29235/1561-8358-2020-65-3-375-383.
18. Sivakov V.V., Zaikin A.N., Gryadunov S.S., Nikitin V.V. Sovershenstvovanie upravleniya servisnym obsluzhivaniem sel'skokhozyaystvennoy i lesozagotovitel'noy tekhniki. [Improving service management of agricultural and logging machinery]. Lesnoy vestnik = Forestry Bulletin. 2025;29(1):172-186. (In Russ.). DOI:https://doi.org/10.18698/2542-1468-2025-1-172-186.
19. Sivakov V.V. Tsifrovizatsiya upravleniya sistemoy tekhnicheskogo obsluzhivaniya i remonta lesozagotovitel'noy tekhniki. [Digitalization of the maintenance and repair system management of logging machinery]. Khvoynye boreal'noy zony = Conifers of the boreal zone. 2024;42(1):64-71. (In Russ.). DOI:https://doi.org/10.53374/1993-0135-2024-1-64-71.
20. Terinov N., Toybich V., Gertz E., Mekhrentsev A., Azarenok V., Kazantsev P. Modernization of mini-tractor for wood skidding. IOP Conference Series: Earth and Environmental Science. 2021;875:012086. DOI:https://doi.org/10.1088/1755-1315/875/1/012086.
21. Gerts E., Mekhrentsev A., Terinov N., Urazova A. Substantiation of the Technological Process Parameters of Wood Skidding with a Mini Tractor in Increment Thinning. Lesnoy Zhurnal (Forestry Journal). 2022;(6):126-138. DOI:https://doi.org/10.37482/0536-1036-2022-6-126-138. (In Russ.)
22. Visser R., Leslie C. Productivity of a winch-assisted forwarder and processor: A case study in the Hawkes Bay region. 2021.
23. Proto A.R., Macri G., Visser R., Russo D., Zimbalatti G. Comparison of Timber Extraction Productivity between Winch and Grapple Skidding: A Case Study in Southern Italian Forests. Forests. 2018;9:61. DOI:https://doi.org/10.3390/f9020061.
24. Zaikin A.N., Sivakov V.V. Navesnaya trelevochnaya telezhka. [Mounted skidding cart]. Patent № 2785391 C1 Rossiyskaya Federatsiya. № 2022107784; zayavl. 24.03.2022; opubl. 07.12.2022. (In Russ.)
