Лесозаготовительная машина с автоматизированной системой направленной валки деревьев
Устройство относится к лесной промышленности и может быть использовано при массовой заготовке древесины деревьями валочно-трелевочными машинами (ВТМ) и валочно-трелевочно-процессорными машинами (ВТПМ). Лесозаготовительная машина с автоматизированной системой направленной валки деревьев отличается тем, что на ней установлена система датчиков, позволяющая с использованием бортового компьютера, определить геометрические параметры дерева и его координаты относительно продольной геометрической оси задней секции лесозаготовительной машины в зависимости от которых непосредственно перед захватом дерева в автоматическом режиме осуществляется поворот захватно-срезающего устройства на такой угол, чтобы валка дерева осуществилась в направлении противоположном движению лесозаготовительной машины, а его вершина оказалась бы на волоке.
Устройство относится к лесной промышленности и может быть использовано при массовой заготовке леса валочно-трелевочными машинами (ВТМ) и валочно-трелевочно-процессорными машинами (ВТПМ).
Известен способ направленной валки деревьев и устройство для осуществления способа [1] при котором в завершение спиливанию при начале падения дереву придают вращательное движение вокруг его продольной оси за счет действия силы резания и силы трения в конце спиливания с возможностью укладки спиленного дерева на грунт под углом от 10 до 30 градусов по отношению к продольной оси валочной машины.
Недостатками известного способа и устройства для его осуществления являются сложность определения точного направления валки, таким образом, что бы вершина оказалась на волоке, что обусловлено человеческим фактором, т.к. угол валки дерева устанавливает оператор машины исходя из визуальной оценки его высоты. Кроме того в известном способе валка дерева осуществляется гибкими пильными цепями без использования валочных приспособлений (например, манипуляторов и др.), что не позволяет обеспечить контроль точности направления падения дерева при его. валкедерева.
Известна конструкция валочно-трелевочной машины (ВТМ) манипуляторного типа, позволяющей осуществлять способ направленной валки деревьев. ВТМ состоит из следующих основных узлов: рамы, ходовой системы, кабины, двигателя, гидроманипулятора с установленным на нем захватно-срезающим устройством (ЗСУ) и зажимного коника. ЗСУ состоит из рамы, упора, гидродвигателя, зажимных крюков, пильного аппарата и для повала деревьев в заданном направлении имеет возможность поворачиваться в вертикальной плоскости на угол 120°, в горизонтальной плоскости на 300° с использованием гидроцилиндров наклона и поворота.
Технологический цикл работы ВТМ на лесосеке включает наводку манипулятора на дерево, захват дерева ЗСУ с последующим его спиливанием и опрокидыванием, погрузку деревьев в коник, переезд ВТМ к следующему месту валки. После заполнения коника осуществляется трелевка пачки деревьев до погрузочной площадки, где производится разгрузка пачки и штабелевка деревьев [2, 3].
Недостатком конструкции ВТМ манипуляторного типа является то, что при управлении оператором установка ЗСУ под углом к оси манипулятора, обеспечивающим достаточно точный повал деревьев в нужном направлении затруднена. Это связано с тем, что для решения указанной задачи оператор должен за короткое время переработать большое количество информации, которое он воспринимает визуально, зачастую со значительными ошибками. Для определения угла поворота ЗСУ, если коник и манипулятор расположены на одной площадке, оператору необходимо на прямолинейных участках, когда ось пачки и платформы машины совпадают, определить: координаты дерева относительно колонны манипулятора, угол поворота манипулятора, вылет манипулятора, высоту деревьев, кроме того, на поворотах угол между осью платформы и осью трелюемой пачки деревьев. В настоящее время на многих моделях ВТМ, а в перспективе и на ВТПМ манипуляторы с ЗСУ устанавливаются на одной платформе (передней), а коник на другой (задней); в этом случае необходимо визуально определить и угол поворота передней секции относительно задней. Все это снижает точность валки деревьев и как следствие производительность работ.
Если дерево валится с отклонением от заданного направления, то на его укладку в коник затрачивается дополнительное время [4]. Кроме того, при перекрещивании комлей деревьев в конике коэффициент полнодревесности пачки деревьев, уложенных в коник ВТМ или ВПТМ, уменьшается с 0,6-0,7 до 0,4-0,5, соответственно уменьшается и объем трелюемой пачки деревьев [4].
Проведенными исследованиями и практикой лесозаготовок доказано, что у 20-25% поваленных деревьев вершины выходят за пределы волока, в результате снижается производительность машин, а также при трелевке повреждаются оставленные деревья и подрост.
Известна конструкция валочно-процессорно-трелевочной машины (ВПТМ). ВПТМ состоит из тех же составных узлов, что и ВТМ, но вместо ЗСУ на манипуляторе установлена харвестерная головка, которая также как и описанное выше ЗСУ способна поворачиваться в горизонтальной и вертикальной плоскостях, обеспечивая направленный повал деревьев. На лесосеке ВПТМ выполняет те же функции, что и ВТМ, а на погрузочной площадке, кроме того, обрезку сучьев и раскряжевку деревьев [5, 6]. При известном способе валка деревьев осуществляется аналогично как и при использовании ВТМ.
Известная конструкция ВПТМ обладает теми же недостатками, что и конструкция ВТМ.
Технический результат предлагаемого устройства заключается в исключении «человеческого» фактора при выборе и задании направления валки деревьев, облегчении труда оператора лесозаготовительной машины, упрощении и ускорении процесса набора пачки поваленных деревьев в расположенный на платформе лесозаготовительной машины коник, повышении производительность процесса заготовки древесины.
Достигается технический результат тем, что на лесозаготовительной машине с автоматизированной системой направленной валки деревьев установлена система датчиков, позволяющая определить координаты подлежащего валке дерева относительно продольной геометрической оси колонны манипулятора и продольной геометрической оси задней секции лесозаготовительной машины, включающая датчик измерения диаметра ствола подлежащего валке дерева, датчик определения положения захватно-срезающего устройства относительно рукояти манипулятора, датчик определения угла между рукоятью манипулятора и его стрелой, датчик определения угла между стрелой и колонной манипулятора, датчик определения угла поворота колонны манипулятора относительно продольной геометрической оси передней секции лесозаготовительной машины, датчик определения угла поворота передней секции лесозаготовительной машины относительно ее задней секции и датчик определения угла поворота раздвижного коника относительно продольной геометрической оси задней секции лесозаготовительной машины, выходы которых соединены с бортовым компьютером, а выход бортового компьютера соединен с захватно-срезающим устройством для подачи непосредственно перед захватом дерева, предшествующим его валке, автоматической команды на поворот захватно-срезающего устройства на требуемый угол, обеспечивающий повал дерева так, чтобы дерево было повалено в направлении, противоположном движению лесозаготовительной машины, а его вершина оказалась бы на волоке.
На фиг. 1 показана конструкция лесозаготовительной машины с автоматизированной системой направленной валки деревьев. На фиг. 2 показана схема направленной валки дерева вершиной на волок (вид сверху) в противоположную движению лесозаготовительной машины с автоматизированной системой направленной валки деревьев сторону с последующей укладкой поваленного дерева комлевой частью в раздвижной коник лесозаготовительной машины.
Лесозаготовительная машина с автоматизированной системой направленной валки деревьев может быть выполнена как сочлененное транспортное средство, состоящее из двух шарнирно сочлененных секций (фиг. 1): передней 19 на которой установлены кабина 1 оператора и манипулятор 5 и задней 20 на которой установлена грузовая платформа 3 с раздвижным коником 4 так и в виде односекционного транспортного средства у которого на одной раме в передней ее части установлены кабина оператора, манипулятор, а в задней части грузовая платформа с раздвижным коником. Поскольку конструкция односекционной лесозаготовительной машины с автоматизированной системой направленной валки деревьев является частным случаем конструкции двухсекционной лесозаготовительной машины у которой все конструктивные элементы смонтированы на одной раме, то в дальнейшем будем рассматривать конструкцию лесозаготовительной машины с автоматизированной системой направленной валки деревьев как сочлененного транспортного средства, состоящего из двух шарнирно соединенных секций.
Лесозаготовительная машина с автоматизированной системой направленной валки деревьев имеет кабину 1 оператора внутри которой установлен бортовой компьютер 2 с программным обеспечением, грузовую платформу 3 с раздвижным коником 4, захватно-срезающее устройство 9, имеющее возможность проворачиваться в вертикальной и горизонтальной плоскостях, установленное на манипуляторе 5, включающем колонну 6, стрелу 7 и рукоять 8. Также на лесозаготовительной машине с автоматизированной системой направленной валки деревьев установлена система датчиков, включающая: датчик 11 измерения диаметра ствола подлежащего валке дерева 10, датчик 12 определения положения захватно-срезающего устройства относительно рукояти манипулятора (угол 
), датчик 13 определения угла (
) между рукоятью манипулятора и его стрелой, датчик 14 определения угла (
) между стрелой и колонной манипулятора, датчик 15 определения угла (
) поворота колонны манипулятора относительно продольной геометрической оси передней секции 19 лесозаготовительной машины с автоматизированной системой направленной валки деревьев, датчик 16 определения угла (
) поворота передней секции 19 лесозаготовительной машины с автоматизированной системой направленной валки деревьев относительно ее задней секции 20 с установленной на ней грузовой платформой 3, датчик 17 определения угла (
) поворота раздвижного коника 4 относительно продольной геометрической оси грузовой платформы 3 задней секции 20 лесозаготовительной машины с автоматизированной системой направленной валки деревьев, который равен углу (
) между геометрической осью пачки деревьев 18, уложенной в коник 4 лесозаготовительной машины с автоматизированной системой направленной валки деревьев и геометрической осью грузовой платформы 3 ее задней секции 20.
Работает лесозаготовительная машина с автоматизированной системой направленной валки деревьев следующим образом. Оператор, находящийся в кабине 1, лесозаготовительной машины с автоматизированной системой направленной валки деревьев, двигаясь по волоку 21 останавливает лесозаготовительную машину с автоматизированной системой направленной валки деревьев у дерева 10, подлежащего валке, на расстоянии находящемся в переделах рабочей зоны манипулятора 5. Затем наводит захватно-срезающее устройство 9, установленное на рукояти 8 манипулятора 5 на дерево 10, подлежащего валке. По данным датчика 11 бортовой компьютер 2 посредством программного обеспечения определяет диаметр дерева 10 у его основания и вычисляет его высоту, а по данным с датчиков 12, 13, 14, 15, 16, 17 определяет координаты дерева 10 относительно продольной геометрической оси грузовой платформы 3 задней секции 20 лесозаготовительной машины с автоматизированной системой направленной валки деревьев. В зависимости от полученных данных - высоты дерева и его координат относительно продольной геометрической оси грузовой платформы 3 задней секции 20 и лесозаготовительной машины с автоматизированной системой направленной валки деревьев бортовой компьютер 2 определяет угол поворота захватно-срезающего устройства, такой чтобы валка дерева 10 осуществлялась вершинной частью в направлении противоположном движению лесозаготовительной машины с автоматизированной системой направленной валки деревьев, причем его вершина оказывалась на волоке 21 и непосредственно перед захватом дерева 10 осуществляет поворот захватно-срезающего устройства 9 на требуемый угол (). После чего производится захват дерева 10 у основания, срезание его ствола с последующим опрокидыванием в установленном направлении. После чего оператор посредством манипулятора 5 и захватно-срезающего устройства 9 комель поваленного дерева 10 помещает в предварительно открытый раздвижной коник 4, установленный на грузовой платформе 3 задней секции 20 лесозаготовительной машины с автоматизированной системой направленной валки деревьев, формируя тем самым пачку деревьев 18. Затем те же операции в той же последовательности производятся для валки и укладки в раздвижной коник 4 всех деревьев, находящихся в рабочей зоне манипулятора 5 с одной стороны лесозаготовительной машины с автоматизированной системой направленной валки деревьев. После чего раздвижной коник 4 закрывается. Лесозаготовительная машина с автоматизированной системой направленной валки деревьев переезжается к следующему месту валки. После формирования пачка деревьев 18 трелюется к погрузочной площадке.
В предлагаемом устройстве наводка ЗСУ или харвестерной головки заключается в корректировке вылета и угла поворота манипулятора (поворот в горизонтальной плоскости, подъем или опускание стрелы, выдвижение или подтягивание рукояти), а также поворота ЗСУ или харвестерной головки. Основным условием обеспечения требуемого направления валки дерева является его правильный зажим. Для этого ЗСУ или харвестерную головку следует повернуть так, чтобы дерево при валке попадало вершинной частью на волок или в вершины деревьев, собранных в пачку, трелюемую лесозаготовительной машиной. Это достигается совмещением продольной оси ЗСУ или харвестерной головки с направлением валки.
Наблюдения показали, что наводка рукояти манипулятора и доставка ЗСУ или харвестерной головки к дереву производятся достаточно точно, как при управлении технологическим оборудованием с использованием ручных распределителей, так и с использованием электрогидравлических и гидрогидравлических распределителей. При этом во втором случае ускоряется процесс наводки и улучшаются эргономические показатели работы оператора.
Для автоматизации поворота ЗСУ или харвестерной головки с достаточной точностью на угол, обеспечивающий повал деревьев вершиной на волок, предусмотрена установка датчиков, с помощью которых определяются основные параметры работы технологического оборудования, а также выведены зависимости для определения промежуточных показателей. На манипуляторе установлены датчики, фиксирующие взаимное положение ЗСУ и рукояти манипулятора, оси колонны манипулятора и оси стрелы манипулятора, оси стрелы манипулятора и оси рукояти манипулятора, а также датчик, фиксирующий угол поворота оси колонны манипулятора относительно продольной геометрической оси передней секции лесозаготовительной машины с автоматизированной системой направленной валки деревьев. В месте сочленения передней и задней секций лесозаготовительной машины с автоматизированной системой направленной валки деревьев установлен датчик определения угла поворота задней секции относительно ее передней секции. На задней секции лесозаготовительной машины с автоматизированной системой направленной валки деревьев устанавливается датчик угла поворота коника. Этот угол равен углу, на который смещается ось пачки деревьев относительно продольной геометрической оси задней секции грузовой платформы машины.
Если манипулятор и раздвижной коник установлены на разных секциях лесозаготовительной машины с автоматизированной системой направленной валки деревьев, то в точке сочленения обеих платформ устанавливается датчик, фиксирующий угол поворота передней секции относительно задней.
Диаметр дерева фиксируется бесконтактным датчиком. Длина дерева для различных разрядов высот связана с его диаметром достаточно тесными зависимостями. Имеются таблицы, которыми пользуются лесозаготовители при оценке качественных показателей и оценке запасов леса в лесосеках, на основе которых выведены необходимые корреляционные зависимости.
В бортовых компьютерах лесозаготовительных машин, например, харвестеров, имеются программы, с использованием которых по замеренному диаметру дерева определяются его высота и оптимальная схема раскроя на сортименты [7].
При установке на ВТМ бортовых компьютеров легко определяется длина дерева; на ВТПМ на лесосеке при захвате дерева определяется его длина, а на погрузочной площадке для каждого дерева оптимальная схема раскряжевки.
Бортовым компьютером по заданной программе с использованием данных, полученных с датчиков, определяются угол поворота ЗСУ относительно рукояти манипулятора, вылет манипулятора, угол поворота его относительно продольной геометрической оси задней секции лесозаготовительной машины с автоматизированной системой направленной валки деревьев (координаты дерева), угол поворота оси пачки деревьев относительно продольной геометрической оси задней секции лесозаготовительной машины с автоматизированной системой направленной валки деревьев, угол поворота передней секции лесозаготовительной машины с автоматизированной системой направленной валки деревьев относительно ее задней секции, диаметр и высота дерева. С использованием этих данных определяется угол поворота ЗСУ или харвестерной головки, обеспечивающий валку дерева вершиной на волок в направлении противоположном движению лесозаготовительной машины с автоматизированной системой направленной валки деревьев, затем в автоматическом режиме по команде бортового компьютера производится поворот ЗСУ или харвестерной головки на соответствующий угол, захват, спиливание и повал дерева в заданном направлении.
При необходимости повала крупных деревьев после определения диаметра, высоты и направления валки с противоположной стороны предварительно производится подпил, параллельный основному срезу дерева.
БИБЛИОГРАФИЯ
1. Патент RU 2466530 Российская Федерация, МПК7 A01G 23/08. Способ направленной валки деревьев и устройство для осуществления способа / Козинов Г.Л., Елистратов Ю.П., Старостин Г.П.; заявитель и патентообладатель: СибГТУ. - 
2010107836/13; заявл. 03.03.2010; опубл. 20.11.2012. Бюл. 32.
2. Валочно-трелевочная машина ЛП-17 / Ю.М. Федоров, Д.М. Алексеев, В.Ф. Кушляев, Е.А. Колобов, В.В. Акимов, Н.П. Яскунов, В.В. Федоров. - М.: Лесн. пром-сть, 1984. - 240 с.
3. Люманов Р. Машинная валка леса. - М.: Лесн. пром-сть, 1990. - 280 с.
4. Оптимизация процесса валки и трелевки деревьев агрегатной машиной / И.Р. Шегельман, В.И. Скрыпник, А.В. Кузнецов // Перспективы науки. Вып.3 (30). Тамбов, 2012. - С. 88-91.
5. Патент RU 94111 Российская федерация, МПК7 A01G 23/02. Валочно-трелевочно-процессорная машина / Шегельман И.Р., Скрыпник В.П.; заявитель и патентообладатель Петрозаводский государственный университет. - 2009144754/22; заявл. 02.12.2009; опубл. 20.05.2010. Бюл. 14.
6. Патент RU 2426303 Российская федерация, МПК7 A01G 23/00. Способ выполнения лесосечных работ агрегатной машиной / Шегельман И.Р., Будник П.В., Скрыпник В.И., Баклагин В.Н.; заявитель и патентообладатель Петрозаводский государственный университет. - 2009109914/21; заявл. 18.03.2009; опубл. 20.08.2011. Бюл. 23.
7. Шегельман И.Р. Машины и технология заготовки сортиментов на лесосеке: монография / И.Р. Шегельман, В.И. Скрыпник, О.Н. Галактионов. - Петрозаводск: Изд-во ПетрГУ, 2011. - 108 с.
Лесозаготовительная машина с автоматизированной системой направленной валки деревьев, имеющая кабину с установленным бортовым компьютером, грузовую платформу с раздвижным коником, манипулятор, состоящий из колонны, стрелы и рукояти, на которой установлено захватно-срезающее устройство, отличающаяся тем, что на ней установлена система датчиков, позволяющая определить координаты подлежащего валке дерева относительно продольной геометрической оси колонны манипулятора и продольной геометрической оси задней секции лесозаготовительной машины, включающая датчик измерения диаметра ствола, подлежащего валке дерева, датчик определения положения захватно-срезающего устройства относительно рукояти манипулятора, датчик определения угла между рукоятью манипулятора и его стрелой, датчик определения угла между стрелой и колонной манипулятора, датчик определения угла поворота колонны манипулятора относительно продольной геометрической оси передней секции лесозаготовительной машины, датчик определения угла поворота передней секции лесозаготовительной машины относительно ее задней секции и датчик определения угла поворота раздвижного коника относительно продольной геометрической оси задней секции лесозаготовительной машины, выходы которых соединены с бортовым компьютером, а выход бортового компьютера соединен с захватно-срезающим устройством для подачи непосредственно перед захватом дерева, предшествующим его валке, автоматической команды на поворот захватно-срезающего устройства на требуемый угол, обеспечивающий повал дерева так, чтобы дерево было повалено в направлении, противоположном движению лесозаготовительной машины, а его вершина оказалась бы на волоке.
