Механизированная валка деревьев

Лекция 8

Валка деревьев. В зависимости от приземляемой* доли биомассы стоящего дерева различают валку с корневой системой и валку с отделением ствола от корневой системы.

Валка с корневой системой применяется при расчистке площадей от леса для сооружения дорог, ЛЭП, газопроводов, поселков и т.д. На лесозаготовках этот способ не нашел применения, поэтому далее не рассматривается.

Валка деревьев с отделением стволовой части от корневой системы – это обрабатывающая операция, включающая в себя два элемента: срезание дерева (отделение ствола от корневой системы); сталкивание (укладка) в заданное положение.

Средства для механизированного срезания деревьев. При механизированной валке для отделения ствола используют цепные бензиномоторные и электромоторные пилы. Последние не нашли распространения из-за отсутствия эффективных источников электроэнергии на лесосеке.

Сталкивание с пня стволовой части с кроной в заданном направлении может осуществляться ручным способом (вальщиком или его помощником с помощью валочных вилок, лопаток) и механизированным (приводимыми от двигателя бензопилы гидродомкратами и гидроклиньями).

Падение дерева в заданном направлении без образования дефектов в комлевой части обеспечивается местом, формой и размерами подпила, формой перемычки (зоны неперерезанных волокон) и типом применяемых сталкивающих устройств (валочных лопаток, гидроклиньев, гидродомкратов).

3.1.1. Цепные пилы

Переносные цепные пилы имеют привод от двигателя внут­реннего сгорания или от электродвигателя. На лесо­секах для срезания деревьев при валке, очистке деревьев от сучьев и раскряжевке хлыстов, а также при очистке лесосек и выполнении подготовительных работ используются бензиномоторные пилы.

Пильный аппарат цепной пилы (рис. 3.1). По периметру пильной шины имеется направляющий паз, если пильная цепь с хвостовиками; пильная шина может иметь выступ, если пиль­ная цепь седлающего типа. На цепных пилах устанавливаются как консольные, так и неконсольные пильные шины. В настоящее время используются главным образом пильные шины консольного типа.

Рис. 3.1. Пильный аппарат цепной пилы консольного типа:

1 – пильная шина; 2 – ведущая звездочка; 3 – рычаг гайки крепления пильной шины; 4 – натяжное устройство; 5 – амортизатор; 6 – ведомая звездочка; 7 – пильная цепь

Натяжное устройство. Натяжное устройство делается обычно винтовым и предназначено для натяжения пильной цепи путем изменения расстояния между осями звездочек.

Пильные цепи. Важным элементом пилы является пильная цепь, которой осуществляют пиление.

Расчет натяжения пильных цепей. Максимальное усилие , возникающее в пильной цепи,

, (3.1)

где – максимальное окружное усилие на ведущей звез­дочке, Н; – натяжение цепи от центробежной силы, Н; – монтажное натяжение пильной цепи, Н (для пильных цепей переносных пил = 150...200 Н); – динамические силы, возникающие при зацеплении пильной цепи со звездочкой. Максимальное окружное усилие на ведущей звездочке

, (3.2)

где – мощность двигателя, Вт; – КПД устройств, пере­дающих энергию от двигателя к пильной цепи; с – коэффи­циент перегрузки двигателя (для двигателей внутреннего сго­рания с = 1,25); – скорость ре­зания, м/с.

Скорость резания

, (3.3)

где z – число зубьев ведущей звездочки; t – шаг хвостовиков пильной цепи, входящих в зацепление с ведущей звездочкой, м; n – частота вращения ведущей звездочки, мин ^-1.

Натяжение пильной цепи от центробежной силы

, (3.4)

где – масса отрезка пильной цепи длиной 1 м, кг.

Динамические силы, возникающие в пильной цепи

, (3.5)

где m – масса пильной цепи, кг; – шаг пильной цепи по заклепкам, м; – угловая скорость ведущей звездочки, с ^-1.

Энергия, вырабатываемая двигателем цепной пилы, расхо­дуется на пиление, преодоление трения пильной цепи о шину и сопротивлений при передаче вращения от вала двигателя к ве­дущей звездочке. Минимальное натяжение пильной цепи, рав­ное монтажному натяжению, будет в точке сбегания ее с веду­щей звездочки, т. е. в точке О,(рис. 3.3).

Рис. 3.3. Схема для расчета мощности двигателя цепной пилы

Натяжение пильной цепи в точке 1 () составит

, (3.6)

где – масса 1 пог. м пильной цепи, кг; g – ускорение сво­бодно падающего тела, м/с²;– длина пильной шины по осям звездочек, м; m – коэффициент трения пильной цепи о шину (m = 0,20…0,25).

Натяжение пильной цепи в точке 2 ():

(3.7)

(трение в шарнирах пильной цепи при переходе через холо­стую звездочку и трение в подшипнике холостой звездочки со­ставляет 8 % от натяжения).

Натяжение в точке 3:

, (3.8)

где – усилие резания, Н; – усилие отжима, Н; = (0,7…1,0), в зависимости от остроты режущих элемен­тов пильной цепи. При расчетах следует принимать =, так как возможно пиление затупленными пильными цепями.

Так как пила может работать при вертикальном и горизон­тальном положениях пильной шины, масса пильной цепи при расчете учитывается полностью (рабочая и холостая ветви)

. (3.9)

Усилие резанияопределяется по формуле

. (3.10)

Мощность двигателя привода цепной пилы

, (3.11)

где – КПД передачи от вала двигателя к ведущей звездочке пильного аппарата.

Конструкция переносных цепных бензиномоторных пил. Общие сведения. Параметры. Мировая практика свидетельствует о расширении объемов машинизации лесосечных работ.

Развитие конструкций цепных бензиномоторных пил идет в направлении увеличения срока эксплуатации, энергонасыщенности (отношение единицы мощности к единице массы), надежности; удобства обслуживания (быстрый запуск, доступность к узлам и деталям); снижения уровня шума, вибрации, расхода топлива.

Технические характеристики бензиномоторных пил отечественного производства даны в приложении 4. “Дружба-4М”, МП-5 “Урал-2” и М-228. Имеют высокое расположение рукояток, относятся к специализированным пилам, предназначенным для валки деревьев в равнинной местности. Однако наличие поворотного редуктора позволяет использовать их также и на раскряжевке хлыстов.

Пилы с низким расположением рукояток (“Тайга-214”, “Крона-202”) предназначены для выполнения обрабатывающих операций (валка, обрезка сучьев, раскряжевка) в древостоях со средним объемом хлыста до 0,3 м³, при рубках ухода и при выполнении подготовительных и вспомогательных работ.

Как правило, зарубежные фирмы выпускают гамму типоразмеров, предоставляя лесозаготовителям широкий выбор для работы в различных условиях лесосек.

Рис. 3.4. Бензиномоторные цепные пилы:

а – МП-5 «Урал-2»; б – «Тайга-214»

Пилы с длиной шины до 50 см (Хускварна 242ХР, 254ХР; Йонсеред 2041, 2054; Стиль 020, 026, 036; Хоумляйт 340 и др.) предназначены для валки деревьев с незначительным объемом хлыста (до 0,3 м³) и для обрезки сучьев и вершин.

Пилы с длиной шины 38-70 см (Хускварна 268, 281ХР; Йонсеред 630, 670; Стиль 036, 044С; Хоумляйт 410 и др.) предназначены для работы в насаждениях средней крупности.

Для крупного древостоя фирмы рекомендуют пилы с длиной шины более 60-70 см (Хускварна 3120ХР; Йонсеред 2095; Стиль 064, 084; Хоумлайт 750 и др.).

Различие в мощности двигателя при равных длинах пильной шины позволяет обрабатывать разные породы. Более твердая древесина требует большей мощности привода бензопил при одинаковой высоте пропила (диаметра дерева). На лесозаготовках Российской Федерации в больших масштабах применяются цепные пилы отечественного производства: МП-5 «Урал-2» (рис. 3.4, а) и «Тайга-214» (рис. 3.4, б).

Пилы одиночного управления с консольным пильным аппаратом и состоят из следу­ющих основных узлов: двигателя 1, муфты сцепления, редуктора 2, пильного аппарата 3, рамы с рукоятками 4 и стартера 5.

3.1.2. Способы механизированной валки деревьев

Различные сочетания средств и приемов выполнения элементов (срезание и сталкивание дерева с пня) представляют несколько способов механизированной валки деревьев, показанных на рис. 3.5.

Подпил дерева производится со стороны направления валки следующими способами: одним резом при валке деревьев диаметром до 0,2 м; двумя резами под углом a = 20...40° друг к другу; двумя параллельными резами с расстоянием между ними 0,1 d. При подпиле по схеме рис. 3.5, б сначала делается первый горизонтальный на уровне шейки корня, а затем второй, наклонный рез. Удаление «ломтя» в виде клина производится пильной шиной. По схеме рис. 3.5, в оба реза делаются горизонтальными, сегмент удаляется с помощью топора или кирки. Наличие подпила предотвращает расколы ствола и образование сколов и отщепов на периферийной его части. Глубина подпила b берется равной , а высота подпила – . Валка деревьев без подпила представляет значительную опасность для моториста.

Перемычка служит шарниром при сталкива­нии дерева с пня и свободном его падении. Она также обеспечивает устойчивость дерева, предотвращает зажимы пиль­ной шины и обратное непроизвольное его падение. Чтобы столкнуть дерево с пня в нужном направлении, к стволу не­обходимо приложить усилие с помощью специального приспо­собления. Кроме того, необходимо поддерживать дерево в конце среза

ния для предотвращения возможного зажима сре­зающего аппарата. Для стал­кивания дерева с пня применяют различные устройства: валочные лопатки или вилки, гидроклинья и гидро­домкраты.

Сталкивание дерева с пня при помощи валочной вилки (рис. 3.5, а) производится приложением сталкивающей силы выше пло­скости срезания. При этом работают двое: моторист и его помощник. Правилами техники безопасности валка деревьев одним мотористом без по­мощника разрешается при условии применения для сталкива­ния деревьев с пней специальных гидроклиньев или гидро­домкратов (рис. 3.5, б, в).

После внед­рения пильной шины на достаточную глубину, вальщик резким толчком вставляет клин в рез (рис. 3.5, б) или выпиливает нишу и вставляет гидродомкрат (рис. 3.5, в). Продолжая сре­зать дерево, вальщик одновременно внедряет клин или поднимает ствол домкратом. Когда дерево начнет наклоняться он пре­кращает срезание, освобождает пильный аппарат, убирает гид­роклин или гидродомкрат и отходит в безопасное место. При валке деревьев клином, если его диаметр на высоте 1,3 м свыше 0,5 м, пилой делают дополнительный наклонный рез и удаляют «ломоть» высотой 1,5…3 см, на глубину 6…9 см. Это обеспе­чивает вдвигание клина на большую глубину, что приводит к увеличению угла наклона дерева под действием гидроклина, а следовательно, к его падению в заданном направлении.

При использовании гидродомкрата (рис. 3.5, в) ниша делается путем дополнительного горизон­тального реза на уровне 11…11,5 см ниже основного на глу­бину 14…15 см в соответствии с размерами домкрата. После этого при использовании универсальных пильных цепей и консольной шины, делают два вертикальных реза под углом друг к другу и удаляют «ломоть» из образо­вавшейся ниши. В подготовленную нишу устанав­ливают гидродомкрат. Его используют для сталкивания с пня крупномерных деревьев.

3.1.3. Оборудование для направленного

сталкивания дерева с пня

Дерево как предмет труда имеет неповторимые параметры: диаметр, развитость кроны, наклоны стволов, пороки. Валка деревьев производится при различных погодных условиях. Таким образом, валка де­рева в заданном направлении сопряжена с определенными трудностями и опасностью для рабочих, выполняющих ее. Для сталкивания дерева с пня используются различные приспособ­ления. Выбор того или иного приспособления зависит от круп­ности деревьев и способа их валки (в одиночку или с помощ­ником).

Основ­ным видом сталкивающих устройств, применяемых в настоя­щее время, являются приспособления с приложением сталки­вающей силы в плоскости реза (валочные лопатки, гидро­клинья и гидродомкраты). Валочные лопатки применяются для сталкивания дерева с пня при диаметре его в месте срезания до 0,28 м, гидроклинья и гидродомкраты – для деревьев сред­ней крупности (диаметр до 0,6 м) и крупных (диаметр больше 0,6 м).

Валочная лопатка изготовляется из листа рессоры, она со­стоит из рукоятки и собственно лопатки. Валочная лопатка может быть изготовлена отдельно от рукоятки. Применение валочных лопаток ограничено, так как при сталкивании с пня дерева средней крупности, да еще при встречном ветре трудно развить достаточную сталкивающую силу.

Гидроклин.Гидроклин является основным инструментом для сталкивания дерева с пня. Гидроклин (рис. 3.6, а) состоит из клина 8, направляющих щек 9, гидроцилиндра 1, поршня 3 со штоком 4, уплотнительной манжетки 2, возвратной пру­жины 5 и упорного стакана возвратной пружины 6. Направляю­щие щеки к корпусу цилиндра крепятся болтами 7. Для облег­чения клин выполнен из легкого сплава и имеет сверления, шток – полый.

Рис. 3.6. Схемы инструментов для сталкивания дерева с пня:

а — гидроклин КТМ-1А; б — гидронасос с приводом;

в — гидродомкрат ДГМ-16

Жидкость при поступлении в цилиндр (на рисунке показано стрелкой) давит на поршень, снабженный уплотнительной ман­жеткой. Поршень вместе со штоком и клином перемещаются в рабочем направлении, при этом клин, прижимая щеки к боко­вым поверхностям реза, выдвигается, создавая валочное уси­лие. Насечки на щеках предотвращают выбрасывание клина из реза во время сталкивания дерева с пня. При выдвижении клина сжимается возвратная пружина, упругой силой которой по окончании сталкивания дерева с пня выталкивается жид­кость из цилиндра в бачок, благодаря чему клин занимает ис­ходное положение.

Привод гидроклина осуществляется от двигателя бензино-моторных пил «Дружба» и МП-5 «Урал-2 Электрон». Принци­пиальная схема устройства и действия привода клина показана на рис. 3.6, б. От коленчатого вала двигателя через центро­бежную муфту сцепления ведущая шестерня редуктора вращает ведомую шестерню, на валу которой посажен эксцентрик 1. При вращении эксцентрика 1 толкателю 2 сообщается возвратно-по­ступательное движение (обратное движение под действием пру­жины на плунжере 4. Плунжер перемещается в стальной гильзе. Рабочая жидкость из бачка 9 через канал 5 самотеком поступает в гильзу плунжера, когда он занимает крайнее левое положение. Затем жидкость плунжером нагнетается через об­ратный клапан 6 и шланг 7 в цилиндр клина. В случае увели­чения давления жидкости выше допустимого избыток ее через редукционный клапан возвратится в бачок. По окончании стал­кивания дерева с пня клапан 8 поднимают при помощи ры­чажка и жидкость упругой силой возвратной пружины клина, минуя обратный клапан 6, выталкивается в бачок. Включение и выключение гидронасоса производится фиксатором 3 при по­мощи рычажка. Чтобы включить гидронасос, необходимо под­нять фиксатор 3 рычажком, т. е. освободить толкатель 2. Вы­ключение насоса производится освобождением рычажка, бла­годаря чему под действием пружины фиксатор 3 выключает толкатель из работы.

На бачке 9 для сообщения его полости с атмосферой име­ется отверстие, которое изнутри закрыто подпружиненным кла­паном. Клапан снаружи может открываться при помощи кнопки.

Гидродомкрат. Гидродомкрат ДГМ-16 (рис. 3.6, в) предна­значен для сталкивания с пней крупномерных деревьев. Он со­стоит из корпуса цилиндра 1, двух телескопических поршней 4 и 5 с уплотнениями 6 опорной пяты 3 и механизма возврата 2 в виде набора спиральных пружин. В корпусе домкрата имеется отверстие для подвода жидкости от насоса. Телескопические поршни обеспечивают большую высоту подъема комля дерева при небольших габаритах самого домкрата. В начале работы домкрата выдвигаются одновременно оба поршня, обеспечивая максимальную сталкивающую силу. После выдвижения первой ступени продолжается выдвижение второй ступени. Для улуч­шения сцепления домкрата с торцовыми поверхностями ниши в дереве опорные поверхности пяты и корпуса имеют насечки. Механизм возврата предназначен для возврата поршней в ис­ходное положение.

Привод гидродомкрата такой же, как у гидроклина, увели­чен лишь объем бачка.

* - под приземлением понимают перевод в горизонтальное положение вертикальной оси дерева