Фото 9 Глубокая колея, оставленная колёсной лесной машиной за один проход (Ленинградская обл., Выборгский р-н, 2022 г.)
Обратим внимание на то, что корневая система деревьев состоит из двух основных типов корней: якорных, которые обеспечивают крепление дерева в почвогрунте, как консольной балки; сосущих, обеспечивающих питание дерева растворёнными в воде минеральными веществами из почвогрунта. При проведении выборочных рубок леса повреждение или угнетение (за счёт переуплотнения окружающего почвогрунта) сосущих корней крайне негативно сказывается на последующем росте оставляемых на доращивание деревьев, подроста и молодняка. При этом сосущие корни, в основном, располагаются в верхнем почвенном слое почвогрунта [82], [83], толщина которого в бореальных лесах, особенно в лесах, расположенных на вечной мерзлоте, крайне невелика [84], [85]. На рисунках 2--7 представлены эпюры нагрузок и зависимости динамики колееобразования колёсных и гусеничных лесных машин, из которых наглядно видно подтверждение факта большей экологической совместимости гусеничных движителей с лесной средой [86--90].
Также отметим, что в Лесоводственных требованиях к технологическим процессам лесосечных работ, утверждённых Приказом Федеральной службы лесного хозяйства России от 29.11.1993 № 314, было регламентировано: «В целях предотвращения развития эрозионных процессов, ухудшения водно-физических свойств почвы и её плодородия <...> необходимо использовать на лесосечных работах машины с давлением в рабочем режиме не более 70 кПа для гусеничных и 150 кПа для колёсных движителей». К сожалению, в действующих Правилах заготовки древесины и особенностей заготовки древесины в лесничествах, указанных в статье 23 Лесного кодекса Российской Федерации, утверждённых Приказом Министерства природных ресурсов и экологии Российской Федерации от 01.12.2020 № 993, нет никакой конкретики ни по допускаемому давлению движителей лесных машин на почвогрунты, ни, что было бы более рациональным, по допускаемой глубине колеи.
Следует также иметь в виду, что уплотнение почвогрунта происходит не только непосредственно под движителем, но и на определённом расстоянии вбок от трелёвочного волока или технологического коридора [91--93].
Рисунок 2 Эпюра дополнительных напряжений в идеальном почвогрунте и его собственное давление при плотности 1,8 г/см3
Как показано на рисунке 6, динамика колееобразования может быть разной [94--96]. На прочных почвогрунтах за первые проходы движитель проминает верхний слой почвогрунта, после чего колея практически не увеличивается, динамика похожа на логарифмический закон (вариант 1, рисунок 6). В варианте 2 (рисунок 6) закон изменения динамики колеи, в принципе, тот же, только глубина проминаемого верхнего слоя почвогрунта больше. На слабых почвогрнутах (вариант 3, рисунок 6) процесс колееобразования не стабилизируется, глубина колеи постоянно растёт, пока ездовая возможность волока не будет исчерпана, т. е. глубина колеи сравняется клиренсом лесной машины. Интенсивность такого процесса может быть разной, что показывает разница между кривыми 3 и 4 на рисунке 6. При многократных проходах и большом давлении на почвогрунт, что характерно для колёсных машин, несущая способность прочного подстилающего слоя почвогрунта в определённый момент оказывается исчерпанной, после чего идёт резкий рост глубины колеи (вариант 5, рисунок 6), и машина может начать «тонуть» (фото 10).
Рисунок 3 Распределение давления на почвогрунт (МПа) по длине опорной поверхности в зависимости от влажности, скорости движения и тягового усилия гусеничного трактора
Рисунок 4. Эпюра напряжений в почвогрунте под гусеницами
Рисунок 5 Схема колееобразования под воздействием движителя
Рисунок 6 Типовые варианты динамики колееобразования: 1 -- изменение колееобразования по логарифмическому закону; 2 -- изменение колееобразования по логарифмическому закону с ускоренным проминанием колеи; 3 -- нестабилизирующийся рост глубины колеи; 4 -- нестабилизирующийся рост глубины колеи небольшой интенсивности; 5 -- изменение колееобразования по логарифмическому закону с последующим резким ростом
Как видно из рисунка 7, тяжёлый колёсный лесопромышленный трактор ЛТ-154 значительно интенсивнее образует колею (в равных условиях эксплуатации), нежели гусеничные тракторы.
Представленный на фото 10 производственный случай -- далеко не редкость при эксплуатации колёсных лесных машин, но достаточно редок для гусеничных. При этом после подобного «затопления» колёсного трактора его придётся везти в тёплый бокс, мыть, прочищать манжеты, сальники и т. д. [36]. В то время как для гусеничного трактора, даже если он попадёт в подобную неприятную ситуацию, такого большого количества работ по обслуживанию выполнять не придётся.
Рисунок 7 Динамика колееобразования гусеничных и колёсного трелёвочных тракторов в зависимости от количества проходов
Для снижения давления на почвогрунты лесосек (увеличения площади контакта с ездовой поверхностью), повышения проходимости на современные гусеничные лесозаготовительные машины (харвестеры на базе экскаваторов) устанавливают уширенную гусеничную ленту с уменьшенным числом грунтозацепов [97] (фото 11).
По сравнению с современными колёсными лесными машинами у гусеничных тракторов значительно проще в устройстве и обслуживании трансмиссия, она заметно менее требовательна к качеству и соблюдению сроков технического обслуживания [98], что в условиях лесозаготовительных предприятий России, особенно мелких, достаточно часто сложно обеспечить [99], [100].
Фото 10 «Затопление» колёсного форвардера при плохих почвенно-грунтовых условиях
Фото 11 Экскаваторный и харвестерный траки
При эксплуатации в условиях значительных отрицательных температур колёсные лесные машины предпочтительно не глушить (хотя это достаточно заметно увеличивает расход топлива, которое стоит сейчас достаточно дорого), поскольку большое количество резиновых уплотнителей и сальников в трансмиссии современного колёсного лесного трактора существенно снижает её надёжность при пуске машины в мороз [101].
Кроме того, в сильный мороз у колёсных машин падает давление в шинах, и его приходится контролировать, резина становится менее эластичной, что вкупе с падением давления в шине может привести к быстрому выходу колеса из строя [102], [103]. Ярким тому примером служат застревающие на трассах зимой в Якутии грузовики из-за лопнувших на морозе шин. А стоимость одного колеса (шины) современного лесопромышленного трактора на начало 2023 г. составляет 200--280 тыс. руб. У гусеничных лесных машин таких проблем нет. Комплект гусениц на лесной трактор типа ТТ стоит на начало 2023 г. около 200--250 тыс. руб. При этом, как уже было упомянуто, только один комплект колёсных гусениц стоит в 10 раз дороже, а на одну колёсную лесную машину желательно иметь два комплекта.
Если касаться стоимости колёсных и гусеничных машин в целом, помня о том, что лесозаготовительные предприятия одни из самых небогатых в лесном комплексе, а в связи с падением объёмов и закупочных цен на круглые лесоматериалы в последнее время (из-за введённых санкций) -- совсем небогатых, то очень полезно отметить, что при прочих равных условиях стоимость колёсной лесной машины составляет на 40--50 % больше, нежели гусеничной того же класса тяги и назначения [36].
Безусловно, у гусеничных лесных машин, по сравнению с колёсными, есть и ряд существенных недостатков. Прежде всего, это повышенный расход топлива (до 40 % при прочих равных условиях) и значительно меньшие скорости движения (при хороших почвенно-грунтовых условиях, неглубоком снеге), что существенно снижает производительность, особенно на транспортных операциях (прежде всего трелёвке) [48].
При сильно дефрагментированном лесосечном фонде приходится часто и на большие расстояния перевозить комплексы лесных машин (с лесосеки на лесосеку или с одного участка лесовосстановления/проведения других видов лесохозяйственных работ на другой) [104]. Колёсные лесные машины в принципе могут перемещаться при этом своим ходом, а гусеничные приходится перевозить только на трале, задействуя при этом дополнительную технику -- тягачи. При этом ещё и не по любой лесной дороге трал сможет пройти. Перемещение гусеничных машин своим ходом по дорогам может привести к разрушению дорожного покрытия, особенно твёрдого. Поэтому в отличие от колёсных движителей гусеничные машины не могут своим ходом перемещаться по дорогам общего пользования. Правда, нельзя забывать о том, что конструкция гидравлической трансмиссии колёсных лесных машин не предназначена для перемещения на длинные дистанции -- она начинает перегреваться, разве что форвардер Ponsse-Bison конструктивно предназначен для переездов на длинные расстояния [36].
У гусеничного движителя лесной машины очень большие динамические (ударные) нагрузки во время движения, особенно у трелёвочных тракторов, которые должны на возможно больших скоростях совершать холостые рейсы -- к месту набора пачки и грузовые рейсы -- к верхнему складу. При наездах на различные препятствия и съездах с них гусеничная лента то натягивается, то провисает, соединительные пальцы бьются в посадочных гнездах, иногда работая как насос, который засасывает в соединение жидкую грязь. Это приводит к достаточно быстрому износу.
Достаточно большой проблемой современного лесного машиностроения в России является очень низкое качество металла, из которого изготавливаются гусеницы для лесных машин [105]. Исходя из приведённого выше понятия «лесные и лесозаготовительные машины», следует уделить внимание вопросу, какие виды гусениц на них используют.
Обратим внимание на то, что лесные машины разного назначения совершают на лесосеке различное количество перемещений, что сказывается не только на конструкции технологического оборудования и движителя, но даже на ёмкости топливного бака. К примеру, ёмкость топливного бака харвестера или ВПМ значительно больше, чему у трелёвочных тракторов [106]. Это связано с тем, что лесозаготовительные машины должны валить деревья, перемещаясь между технологическими стоянками. Большой топливный бак им нужен, чтобы как можно реже им приходилось перемещаться к площадке верхнего склада (или погрузочного пункта) для дозаправки. В то же время трелёвочные тракторы регулярно доставляют на верхний склад (погрузочный пункт) лесоматериалы, и им проще лишний раз заправиться, чем возить на себе большой объём топлива, увеличивая тем самым коэффициент тары трактора, со всеми вытекающими из этого негативными последствиями.
В принципе можно подразделять лесные машины на транспортные и технологические. Транспортные лесные машины, прежде всего трелёвочные тракторы, в меньшей степени погрузчики, совершают большое количество перемещений (грузовой работы), технологические машины перемещаются меньше и выполняют рабочие или смешанные операции -- лесозаготовительные машины, процессоры, сучкорезные, и т. д. Есть, правда, транспортно-технологические машины -- харвардеры, ВТПМ [107], но в российском лесозаготовительном производстве в настоящее время они не используются.
Гусеничные лесозаготовительные машины (ВПМ, харвестеры), а также лесные машины -- процессоры и погрузчики делаются на базе строительных манипуляторных машин -- экскаваторов [108].
Как было отмечено выше, для трелёвочных тракторов желательно иметь меньший вес -- для снижения удельной энергоёмкости первичного перемещения заготовленных лесоматериалов. В связи с этим гусеничные трелёвочные тракторы оснащаются самыми простыми и лёгкими гусеницами с одноцевочным зацеплением, у которых последовательными шарнирами являются трак и палец, представляющие собой отливки. И всё это собирается с минимальными требованиями к точности, никаких уплотнений со смазкой в таких гусеницах нет. Такая гусеница стоит значительно дешевле, чем гусеницы для строительных машин, но срок её службы достаточно мал. И в связи с уже упомянутым выше существенным снижением качества металла, из которого эти гусеницы изготавливаются, срок службы их ещё более снижается.
Гусеница на строительных тракторах представляет собой цепь с закрытыми звеньями, с уплотнениями, в которые закладывается консистентная смазка, и к этой цепи на болты крепятся траки. Такие гусеницы стоят достаточно дорого, но имеют длительный срок эксплуатации. Благодаря смазке интенсивность их износа снижается достаточно существенно -- до 20 %. На фото 12 приведено визуальное сравнение экскаваторной гусеницы и гусеницы трелёвочного трактора.
По вариантам смазки шарниров также гусеницы подразделяют [ 109]:
¦ сухие (с открытым металлическим шарниром);
¦ закрытые (смазка закладывается в шарнир сразу на весь срок эксплуатации);
¦ с жидкой смазкой (имеются уплотнения, обеспечивающие герметичность шарнира для сохранения смазки);
¦ с резино-металлическим шарниром (между пальцем и звеном гусеницы устанавливается резиновая втулка);
¦ с игольчато-подшипниковым шарниром.
При установке на трактор металлических гусениц ведущие колёса имеют форму звёздочки, зубья которой входят в зацепление с гусеничной лентой. Если же на трактор устанавливают резино-металлические гусеницы, то они обычно имеют гладкую поверхность контакта с гладким колесом, у них передача крутящего момента осуществляется трением.
Фото 12 Визуальное сравнение экскаваторной гусеницы и гусеницы трелёвочного трактора
В настоящее время Правительство Российской Федерации уделяет большое внимание развитию арктических регионов. Корпорация развития Дальнего Востока и Арктики определяет Арктическую зону как крупнейшую особую экономическую зону в мире, где инвесторы пользуются специальными режимами налогового и административного регулирования.
В Арктическую зону входят девять регионов России (четыре относятся к ней полностью, пять -- частично). Площадь арктических территорий составляет 4,8 млн км2 (28 % территории России). Ряд арктических регионов России имеет очень большой лесной потенциал: Архангельская область, Республика Саха (Якутия), Республика Карелия.