В статье изложены результаты комплексных исследований по оценке эксплуатационной эффективности харвестеров. Аналитической основой исследований является предложенная автором энергетическая концепция создания и применения комплексов многооперационных лесозаготовительных машин. Исходные данные для анализа представляют собой результаты экспериментальных исследований и математического моделирования работы харвестеров. Оценка адекватности и точности использованной авторской математической модели выполнена по t-критерию Стьюдента при уровне значимости 0,05. Критерием оценки эффективности выступает разработанный интегральный показатель удельного потенциала производительности. Исследования проведены для типовых лесоэксплуатационных условий Республики Беларусь и технологических процессов разработки лесосек комплексами многооперационных лесозаготовительных машин. Изложены результаты оценки скорости работы приводов отдельных звеньев манипуляторов и его влияние на эффективность технологического процесса харвестера. Показано, что вклад скорости работы отдельных звеньев существенно зависит от характера совмещаемых оператором движений. Установлено, что рост подачи гидравлической жидкости в гидроцилиндр телескопического звена свыше 117 л/мин практически не приводит к росту средних скоростей выполнения операции перемещения дерева, а лишь увеличивает динамическую нагруженность и энергозатраты на преодоление сил инерции. По результатам исследований установлены закономерности нелинейного изменения затрат энергии, времени и динамических нагрузок в конструкциях харвестеров при различных вариантах совмещения операций валки деревьев их перемещения и обрезки сучьев при соответствующих мощностях приводов в стохастически распределенных лесоэксплуатационных условиях. Предложен технологический процесс последовательного применения на одной лесосеке харвестеров разных размерно-энергетических классов, который на 14,4–16,9% эффективнее в сравнении с технологией отдельного применения харвестера большего размерно-энергетического класса для условий лесосек, имеющих значительную стохастичность объёмов стволов.
харвестер, операция, методика, эффективность, технология, эксплуатация, условия, манипулятор, харвестерная головка, концентрация, валка, обрезка сучьев, раскряжевка
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. Сергеева Т. В. Производственная оценка влияния количественных характеристик состава древостоя на элементы времени цикла работы харвестера. Инновации и технологии в лесном хозяйстве. 2024;1: 289–293. DOI:https://doi.org/10.21178/160524.289. URL: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=68615716.
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;3 (54): 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. Будник П.В. Синтез технико-технологических решений комплексного освоения ресурсов древесины. Автореф. дис. ... д-ра техн. наук 05.21.01. 2021;45. 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 Eurоpean Forestry Journal. 2020;66: 12–22. DOI:https://doi.org/10.2478/forj-2019-0027.
7. Клубничкин Е. Е. Метод повышения энергоэффективности погрузочно-транспортных машин для сортиментной заготовки. Лесной вестник/Forestry Bulletin. 2025;1(29). 112–125. DOI:https://doi.org/10.18698/2542-1468-2025-1-112-125. URL: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=80474162.
8. Свойкин Ф.В., Свойкин В.Ф., Соколова В.А. [и др.]. Повышение производительности неспециализированной техники на лесозаготовках на базе математического анализа показателей лесосеки. Системы. Методы. Технологии. 2021;3(51): 135-142. DOI:https://doi.org/10.18324/2077-5415-2021-3-135-142. URL: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=46621685.
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; 3 (93): 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. Соколов А.П., Селиверстов А.А., Суханов Ю. В., Сенькин В.А. О влиянии частичной автоматизации управления манипуляторами на эргономические показатели лесозаготовительных машин. Лесной вестник. 2023;2(1): 139-152. DOI: https://doi.org/10.18698/2542-1468-2023-1-139-152. URL: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=50188359.
12. Рукомойников К.П., Купцова В.О., Сергеева Т. В. Математическая модель расхода топлива форвардера «Амкодор-2682» при выполнении лесохозяйственных работ. Известия высших учебных заведений. Лесной журнал. 2020; 6: 148-158. DOIhttps://doi.org/10.37482/0536-1036-2020-6-148-158. URL: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=44411168.
13. Рукомойников К.П., Купцова В.О. Обоснование норм расхода топлива многооперационных лесозаготовительных машин на примере харвестера. Известия высших учебных заведений. Лесной журнал. 2020;3: 117-127. DOI:https://doi.org/10.37482/0536-1036-2020-3-117-127. URL: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=42916019.
14. Мохирев А.П., Куницкая О.А., Калита Г.А. и др. Оценка надежности лесозаготовительного харвестера. Лесной вестник. 2022;26(5): 93-101. DOI: https://doi.org/10.18698/2542-1468-2022-5-93-101. URL: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=49515846.
15. Polowy K., Moli´nska-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. Якимович С.Б., Ефимов Ю.В. Оценка эффективности систем машин и харвестерных агрегатов для заготовки древесины по фундаментальному критерию технолога — удельной энергоемкости. Лесной вестник. 2020;24(1): 59-68. DOI: https://doi.org/10.18698/2542-1468-2020-1-59-68. URL: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=42736877.
17. Савиных Т.И., Савиных М.А., Якимович С.Б. Сравнительный анализ способов заготовки древесины харвестером по критерию производительности и удельной энергоемкости / // Леса России и хозяйство в них. – 2021. – № 4(79). – С. 69-74. – DOI: 10.51318 / FRET.2021.95.37.006. URL: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=47479680
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: Ref. Ares(2018)4460965 - 30/082018. Natural Resources Institute Finland, 2019; 23. DOI: https://doi.org/10.3030/720712.
22. Егорин А.А. Исследование воздействия движителей харвестеров на лесные почвогрунты с учетом возникающих динамических нагрузок: автореф. дис. … канд. техн. наук.: 4.3.4. С.-Петерб. гос. лесотехн. ун-т. 2023; 19. URL: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=59958698.
23. Клубничкин Е.Е. Моделирование колесных транспортных средств, оснащенных средствами повышения проходимости. Труды НГТУ им. Р.Е. Алексеева. 2023;1: 84-96. DOI: https://doi.org/10.46960/1816-210X_2023_1_84.
24. Карпачев С.П., Быковский М.А., Лаптев А.В. Методика выбора манипулятора харвестера. Лесной вестник. 2021;25(1): 123-129. DOI: https://doi.org/10.18698/2542-1468-2021-1-123-129. URL: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=44711896.
25. Коростелев С.А., Горбачев А.В., Клубничкин В.Е. Исследование тяговых характеристик колесных лесохозяйственных машин. Политематический сетевой электронный научный журнал Кубанского государственного аграрного университета. 2022;184: 77-88. DOI: https://doi.org/10.21515/1990-4665-184-009. URL: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=50208185.
26. Лавров А.В., Воронин В.А., Сидоров М.В., Пехальский И.А. Тяговый расчет модульного энерготехнологического средства с учетом кинематического несоответствия привода ведущих осей. Сельскохозяйственные машины и технологии. 2022;16(2):30-36. DOI: https://doi.org/10.22314/2073-7599-2022-16-2-30-36. URL: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=48729864.
27. Holzleitner F. Integrated in-stand debarking with a harvester in cut-to-length operations – processing and extraction performance assessment / Franz Holzleitner, Christian Kanzian // International journal of forest engineering. – 2022. – Vol. 33, № 1. – Р. 66–79. – DOI: https://doi.org/10.1080/14942119.2021.2013049.
28. Ширнин Ю.А., Гайсин И.Г., Рыганова С.Г., Гатауллин А.Р. Сравнение и выбор вариантов выполнения элементов технологических операций при работе системы машин «харвестер+форвардер». Вестник Поволжского государственного технологического университета. Серия: Лес. Экология. Природопользование. 2021;2(50):42-51. DOI: https://doi.org/10.25686/2306-2827.2021.2.42. URL: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=46262589.
29. Прядкин В.И., Бартенев И.М. Эколого-экономическая оценка применения сортиментной технологии заготовки древесины на рубках ухода. Лесотехнический журнал. 2018;8(4): 250-259. DOI: https://doi.org/10.12737/article_5c1a323ff0ed79.44618896. URL: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=36574564.
30. Голякевич С.А., Гороновский А.Р., Коробкин В.А. Методика прогнозирования эффективности комплексов лесозаготовительных машин. Труды БГТУ. 2024;1(276): 125-131. DOI: https://doi.org/10.52065/2519-402X-2024-276-17. URL: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=60046817.
