The article presents the results of comprehensive research evaluating the operational efficiency of harvesters. The analytical basis of the research is the author's proposed energy concept for the development and application of multi-operation timber-harvesting machine complexes. The initial data for the analysis comprise the results of experimental studies and mathematical modeling of harvester operation. The assessment of the adequacy and accuracy of the author's mathematical model used was performed using the Student's t-test at an innovation level of 0.05. The evaluation criterion is a developed integral indicator of specific productivity potential. The research was conducted for typical logging conditions in the Republic of Belarus and technological processes for timber harvesting using complexes of multi-operation forestry machines. Based on the research results, regularities of nonlinear changes in energy consumption, time, and dynamic loads in harvester structures were established. These changes occur under various modes of combining tree felling, moving, and delimbing operations with corresponding drive powers in stochastically distributed logging conditions. The results of assessing the speed of the drives of individual manipulator links and its impact on the efficiency of the harvester's technological process are presented. It is shown that the contribution of the operating speed of individual links significantly depends on the nature of the movements combined by the operator. It has been established that increasing the hydraulic fluid flow rate to the telescopic link cylinder above 117 L/min practically does not lead to an increase in the average speeds of the tree moving operation, but only increases dynamic loading and energy consumption for overcoming inertia forces. A technological process involving the sequential application of harvesters of different size-energy classes on the same cutting area is proposed. This process is 14.4–16.9% more efficient compared to the technology of using only a larger size-energy class harvester in conditions where cutting areas have significant stochastic variability in trunk volumes.
harvester, forwarder, operation, methodology, efficiency, technology, operation, conditions, manipulator, harvester head, concentration, felling, delimbing, bucking
Введение
Конкурентоспособность многооперационных лесозаготовительных машин (МЛМ) во многом определяется совокупностью эксплуатационных потребительских качеств: производительности Т.В. Сергеева (2024) [1], J. Routa (2020) [2], G.Szewczyk, (2020) [3], S. A. Borz (2021) [4], П. В. Будник (2021) [5], P. Budnik (2020) [6], Е. Е. Клубничкин (2025) [7]; Ф. В. Свойкин и др. (2021) [8], экономичности H. Soman (2020) [9]; A. Simon (2022) [10]; А.П. Соколов и др. (2023) [11], К. П. Рукомойников и др. (2020) [12], К. П. Рукомойников и др. (2020) [13], эксплуатационной надежности А. П. Мохирев (2022) [14], которые характеризуют их соответствие целевым лесоэксплуатационным условиям и технологиям применения. Существующие научные теории направлены на обоснование параметров лесозаготовительных машин, формирование из них лесозаготовительных комплексов, построение новых и адаптацию существующих технологических процессов. В них обособленно исследуются вопросы динамики и прочности конструкций машин, производительности и энергоемкости K. Polowy (2023) [15]; С. Б. Якимович (2020) [16]; Т.И. Савиных (2021) [17], реализации эксплуатационных свойств харвестерных головок B. Hatton (2021) [18], V. Mergl (2021) [19], проходимости J. B. Heppelmann (2022) [20], [21], А.А. Егорин (2023) [22], Е. Е. Клубничкин (2023) [23], устойчивости С. П. Карпачев (2021) [24], тяговых С. А. Коростелев (2022) [25], А.В. Лавров (2022) [26] и других эксплуатационных свойств. При этом вопросы взаимосвязи МЛМ, работающих в едином комплексе, и системный анализ взаимного влияния их технических характеристик на совокупность эксплуатационных потребительских качеств в рамках существующих теорий рассмотрены мало F. Holzleitner (2022) [27], Ю.А. Ширнин (2021) [28] В. И. Прядкин (2018) [29]. Во многом это обуславливает ограниченность практического эффекта их использования.
Предлагаемая энергетическая концепция создания и применения комплексов МЛМ основывается на совместной оценке энергопотребления, длительности реализуемых технологических процессов и силового нагружения конструкций МЛМ. Концепция предполагает использование в качестве оценочного критерия эффективности – интегральной величины удельного энергетического потенциала производительности комплекса машин УЭППК (м6/МДж·с), отдельно харвестера УЭППХ, или для отдельных операций – частного удельного энергетического потенциала производительности соответствующей операции (ЧЭППОП). Она оценивает удельные энергетические затраты, приходящиеся на единицу долговременной производительности (с учетом эксплуатационной надежности). Это позволяет научно-обосновано выбирать параметры машин и технологии при которых достигается требуемый уровень производительности, но при этом отсутствует несоразмерный рост энергопотребления комплекса МЛМ или снижение его эксплуатационной надежности. При необходимости достижения иных показателей, к примеру наибольшей величины производительности (м3/ч), минимального энергопотребления (МДж/м3), либо наибольшей эксплуатационной надежности (больший коэффициент технической готовности) – данные единичные показатели также могут быть использованы в качестве критериев оптимизации. При этом другие элементы концепции (математическая модель «эксплуатационные условия – технология – комплекс МЛМ», экспериментальные и теоретические данные и подходы к их анализу С. А. Голякевич (2024) [30] и др.) могут быть использованы и для них.
Цель работы – апробация энергетической концепции создания и применения комплексов МЛМ при учете стохастичности условий эксплуатации на примере анализа эффективности работы харвестеров.
В соответствии с целью работы поставлены и решены следующие задачи:
- установление закономерностей взаимосвязного изменения затрат времени, энергии и динамической нагруженности харвестеров на отдельных операциях технологических циклов;
- комплексная техническая оценка влияния параметров и технологий работы харвестеров на их эксплуатационные показатели;
- экспериментальное и теоретическое обоснование технологического процесса последовательного применения на одной лесосеке харвестеров разных размерно-энергетических классов.
1. Sergeeva T. V. Proizvodstvennaya otsenka vliyaniya kolichestvennykh kharakteristik sostava drevostoya na elementy vremeni tsikla raboty kharvestera. [Production assessment of the influence of stand composition quantitative characteristics on the harvester cycle time elements]. Innovatsii i tekhnologii v lesnom khozyaystve=Innovations and Technologies in Forestry. 2024;1: 289-293. (In Russ.). DOI: https://doi.org/10.21178/160524.289.
2. Routa J., Nuutinen Y., Asikainen A. Productivity in Mechanizing Early Tending in Spruce Seedling Stands. Croatian Journal of Forest Engineering. 2020;1: 1-11. DOI: https://doi.org/10.5552/crojfe.2020.619.
3. Szewczyk G., Spinelli R., Magagnotti N., et al. The mental workload of harvester operators working in steep terrain conditions. Silva Fennica. 2020;54(3):10355. DOI: https://doi.org/10.14214/sf.10355.
4. Borz S.A., Marcu M.V., Cataldo M.F. Evaluation of an HSM 208F 14tone HVT-R2 Forwarder Prototype under Conditions of Steep-Terrain Low-Access Forests. Croatian Journal of Forest Engineering. 2021; 42:16. DOI: https://doi.org/10.2989/20702620.2016.1183096.
5. Budnik P. V. Sintez tekhniko-tekhnologicheskikh resheniy kompleksnogo osvoeniya resursov drevesiny. [Synthesis of technical and technological solutions for integrated development of wood resources]. Avtoref. dis. ... d-ra tekhn. nauk. 2021;45. (In Russ.). URL: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=54430194.
6. Budnik P., Shegelman Y., Baklagin V. Variability of forwarder truckload parameters in the Pryazha forestry division of the Republic of Karelia (Russia): A computer experiment. Central European Forestry Journal. 2020;66: 12-22. DOI: https://doi.org/10.2478/forj-2019-0027.
7. Klubnichkin E. E. Metod povysheniya energoeffektivnosti pogruzochno-transportnykh mashin dlya sortimentnoy zagotovki. [Method for improving energy efficiency of loading and transport machines for cut-to-length harvesting]. Lesnoy vestnik=Forestry Bulletin. 2025;1:112-125. (In Russ.). DOI: https://doi.org/10.18698/2542-1468-2025-1-112-125.
8. Svoikin F. V., Svoikin V. F., Sokolova V. A., et al. Povyshenie proizvoditel'nosti nespetsializirovannoy tekhniki na lesozagotovkakh na baze matematicheskogo analiza pokazateley lesoseki. [Increasing productivity of non-specialized equipment in logging based on mathematical analysis of cutting area indicators]. Sistemy. Metody. Tekhnologii. = Systems. Methods. Technologies. 2021;3: 135-142. (In Russ.). DOI: https://doi.org/10.18324/2077-5415-2021-3-135-142.
9. Soman H., Kizha A.R., Delgado B.M., Kenefic L.S., Kanoti K. Production economics: comparing hybrid tree-length with whole-tree harvesting methods. Forestry. 2020;93(3):389-400. DOI: https://doi.org/10.1093/forestry/cpz065
10. Simon A., Talbot B., Astrup R. The effect of tree and harvester size on productivity and harvester investment decisions. International Journal of Forest Engineering. 2022;33(1):22-32. DOI: https://doi.org/10.1080/14942119.2021.1981046.
11. Sokolov A. P., Seliverstov A. A., Sukhanov Yu. V., Sen'kin V. A. O vliyanii chastichnoy avtomatizatsii upravleniya manipulyatorami na ergonomicheskie pokazateli lesozagotovitel'nykh mashin. [On the influence of partial automation of manipulator control on ergonomic indicators of logging machines]. Lesnoy vestnik= Forest Bulletin. 2023;2:139-152. (In Russ.). DOI: https://doi.org/10.18698/2542-1468-2023-1-139-152.
12. Rukomoynikov K. P., Kuptsova V. O., Sergeeva T. V. Matematicheskaya model' raskhoda topliva forwardera «Amkodor-2682» pri vypolnenii lesokhozyaystvennykh rabot. [Mathematical model of fuel consumption of forwarder "Amkodor-2682" during forestry works]. Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedeniy. Lesnoy zhurnal= Forestry Journal. 2020;6:148-158. (In Russ.). DOI: https://doi.org/10.37482/0536-1036-2020-6-148-158.
13. Rukomoynikov K. P., Kuptsova V. O. Obosnovanie norm raskhoda topliva mnogooperatsionnykh lesozagotovitel'nykh mashin na primere kharvestera. [Substantiation of fuel consumption rates for multi-operation logging machines using the example of a harvester]. Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedeniy. Lesnoy zhurnal= Forestry Journal. 2020;3:117-127. (In Russ.). DOI: https://doi.org/10.37482/0536-1036-2020-3-117-127.
14. Mokhirev A. P., Kunitskaya O. A., Kalita G. A., et al. Otsenka nadezhnosti lesozagotovitel'nogo kharvestera. [Reliability assessment of a logging harvester]. Lesnoy vestnik= Forest Bulletin. 2022;5:93-101. (In Russ.). DOI: https://doi.org/10.18698/2542-1468-2022-5-93-101.
15. Polowy K., Molińska-Glura M. Data Mining in the Analysis of Tree Harvester Performance Based on Automatically Collected Data. Forests. 2023;14:165. DOI: https://doi.org/10.3390/f14010165.
16. Yakimovich S. B., Efimov Yu. V. Otsenka effektivnosti sistem mashin i kharvesternykh agregatov dlya zagotovki drevesiny po fundamental'nomu kriteriyu tekhnologa — udel'noy energoemkosti. [Evaluation of the efficiency of machine systems and harvester units for timber harvesting according to the fundamental criterion of technologist — specific energy intensity]. Lesnoy vestnik. 2020;1:59-68. (In Russ.). DOI: https://doi.org/10.18698/2542-1468-2020-1-59-68.
17. Savinykh T. I., Savinykh M. A., Yakimovich S. B. Sravnitel'nyy analiz sposobov zagotovki drevesiny kharvesterom po kriteriyu proizvoditel'nosti i udel'noy energoemkosti. [Comparative analysis of timber harvesting methods by harvester based on productivity and specific energy intensity]. Lesa Rossii i khozyaystvo v nikh= Forests of Russia and Their Management. 2021;4(79):69-74. (In Russ.). DOI: https://doi.org/10.51318/FRET.2021.95.37.006.
18. Hatton B., Gagnol V., Bouzgarrou B.C., Fauroux J.-C. Modelling and simulation of a harvester head mechanism. Mechanics & Industry. 2017;18:309. DOI: https://doi.org/10.1051/meca/2016055.
19. Mergl V., Zemánek T., Šušnjar M., Klepárník J. Efficiency of Harvester with the Debarking Head at Logging in Spruce Stands Affected by Bark Beetle Outbreak. Forests. 2021;12:1348. DOI: https://doi.org/10.3390/f12101348.
20. Heppelmann J.B., Talbot B., Antón Fernández C., Astrup R. Depth-to-water maps as predictors of rut severity in fully mechanized harvesting operations. International Journal of Forest Engineering. 2022;33(2):108-118. DOI: https://doi.org/10.1080/14942119.2022.2044724.
21. Sirén M., Bergkvist I., Skogforsk J., et al. Efficient forestry by precision planning and management for sustainable environment and cost-competitive bio-based industry. Natural Resources Institute Finland, 2019; 23. DOI: https://doi.org/10.3030/720712.
22. Egorin A. A. Issledovanie vozdeystviya dvizhiteley kharvesterov na lesnye pochvogruntu s uchetom voznikayushchikh dinamicheskikh nagruzok. [Study of the impact of harvester propellers on forest soils taking into account emerging dynamic loads]. Avtoref. dis. ... kand. tekhn. nauk. 2023; 19. (In Russ.). URL: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=59958698.
23. Klubnichkin E. E. Modelirovanie kolesnykh transportnykh sredstv, osnashchennykh sredstvami povysheniya prokhodimosti. [Modeling of wheeled vehicles equipped with means of increasing cross-country ability]. Trudy NGTU im. R.E. Alekseeva= Proceedings of NGTU R.E. Alekseev. 2023;1: 84-96. (In Russ.). DOI: https://doi.org/10.46960/1816-210X_2023_1_84.
24. Karpachev S. P., Bykovskiy M. A., Laptev A. V. Metodika vybora manipulyatora kharvestera. [Method for selecting a harvester manipulator]. Lesnoy vestnik. 2021;1: 123-129. (In Russ.). DOI: https://doi.org/10.18698/2542-1468-2021-1-123-129.
25. Korostelev S. A., Gorbachev A. V., Klubnichkin V. E. Issledovanie tyagovykh kharakteristik kolesnykh lesokhozyaystvennykh mashin. [Study of traction characteristics of wheeled forestry machines]. Politematicheskiy setevoy elektronnyy nauchnyy zhurnal Kubanskogo gosudarstvennogo agrarnogo universiteta = Polythematic Network Electronic Scientific Journal of Kuban State Agrarian University. 2022;184: 77-88. (In Russ.). DOI: https://doi.org/10.21515/1990-4665-184-009.
26. Lavrov A. V., Voronin V. A., Sidorov M. V., Pekhal'skiy I. A. Tyagovyy raschet modul'nogo energotekhnologicheskogo sredstva s uchetom kinematicheskogo nesootvetstviya privoda vedushchikh osey. [Traction calculation of a modular energy-technological means taking into account kinematic mismatch of the drive of driving axles]. Sel'skokhozyaystvennye mashiny i tekhnologii= Agricultural Machines and Technologies. 2022;16(2): 30-36. (In Russ.). DOI: https://doi.org/10.22314/2073-7599-2022-16-2-30-36.
27. Holzleitner F., Kanzian C. Integrated in-stand debarking with a harvester in cut-to-length operations – processing and extraction performance assessment. International Journal of Forest Engineering. 2022;33(1):66-79. DOI: https://doi.org/10.1080/14942119.2021.2013049.
28. Shirnin Yu. A., Gaysin I. G., Ryganova S. G., Gataullin A. R. Sravnenie i vybor variantov vypolneniya elementov tekhnologicheskikh operatsiy pri rabote sistemy mashin «kharvester+forwarder». [Comparison and selection of options for performing elements of technological operations when operating a machine system "harvester+forwarder"]. Vestnik Povolzhskogo gosudarstvennogo tekhnologicheskogo universiteta=Bulletin of the Volga State Technological University. 2021;50(2): 42-51. (In Russ.). DOI: https://doi.org/10.25686/2306-2827.2021.2.42.
29. Pryadkin V. I., Bartenev I. M. Ekologo-ekonomicheskaya otsenka primeneniya sortimentnoy tekhnologii zagotovki drevesiny na rubkakh ukhoda. [Ecological and economic assessment of the use of cut-to-length technology in thinning]. Lesotekhnicheskiy zhurnal= Forestry Engineering Journal. 2018;8(4): 250-259. (In Russ.). DOI: https://doi.org/10.12737/article_5c1a323ff0ed79.44618896.
30. Golyakevich S. A., Goronovskiy A. R., Korobkin V. A. Metodika prognozirovaniya effektivnosti kompleksov lesozagotovitel'nykh mashin. [Method for predicting the efficiency of logging machine complexes]. Trudy BGTU=Proceedings of BSTU. 2024;276(1): 125-131. (In Russ.). DOI: https://doi.org/10.52065/2519-402X-2024-276-17.
