ОТ ТОПОРА ...

Современный топорБез преувеличения можно сказать, что цивилизация своим развитием обязана прежде всего применению древесины - сначала как топлива, строительного материала, а затем сырья для изготовления бумаги, химического производства. И ее значение в жизни человечества в обозримом будущем, видимо, не снизится, несмотря на все успехи по созданию искусственных материалов. Ведь равноценной заменой столь универсального естественного полимера - концентрата разнообразнейших веществ - может стать, по мнению специалистов, только… сама древесина! А потому пользоваться этим бесценным даром природы надо экономно, бережно, с великой осмотрительностью, по возможности сохраняя и лелея лесные богатства планеты…

Каменное рубило с острыми кромкамиНо речь пойдет о другом - о том, какие метаморфозы претерпели орудия труда добытчиков "зеленого золота". Свои истоки они берут, как, впрочем, и все технические устройства, с примитивного каменного рубила с острыми кромками, полученными в результате скола или после некоторой обработки. Привязав его к палке, неведомый первобытный дровосек стал обладателем пратопора. Он появился примерно в 11-7 тысячелетиях до нашей эры. Но еще в начале 20-го века им успешно обходились аборигены Австралии, Африки и Центральной Америки. Судя по экспериментам, проведенным археологами, таким инструментом можно было свалить средних размеров ель всего за 25 мин.

И на протяжении многих тысячелетий основным орудием труда в лесу был топор – вначале каменный, затем бронзовый и железный. Известно, что уже много веков назад русские кузнецы делали отличные железные топоры. Как ни парадоксально, но, по расчетам математика В.И. Желиговского, найденные во время строительства московского метрополитена древние топоры по своим параметрам обладали более высоким коэффициентом полезного действия, чем современные. Даже доски долгое время вытесывали топором. Сам топор господствовал на лесозаготовках вплоть до середины прошлого века.

Древняя пилаСкрыто во тьме и имя изобретателя пилы. Античные греки и римляне поступили просто - посчитали, что первыми изготовили ее из челюстей и позвоночников крупных рыб могущественные боги. Однако к прототипу пилы скорее следует отнести появившиеся около 10 тысяч лет назад плоские, иногда дугообразные костяные пластины с насеченными зубьями. В бронзовом веке их стали делать из бронзы, а в железном - из железа, причем снабдили сравнительно удобной рукояткой типа "лисий хвост"… Однако пользоваться пилами, уже двуручными, на делянке приходилось втроем: двое пилили, а третий, помощник, смотрел и подталкивал шестом готовое упасть дерево в нужную сторону. Между тем свалить такое же дерево за такое же время мог и один лесоруб, вооруженный топором. Немудрено, что пилы на лесоповалах распространялись весьма медленно.

Одноручная пилаОдноручная пила "американка"Правда, пильщики не раз пытались навязать роль помощника самому инструменту, зачастую находя простые и остроумные решения. Например, как не упомянуть пилы, изготовленные из согнутого ствола тонкой березки, к концам которого крепилось пильное полотно, иными словами, одноручные. Или широко применявшиеся в прошлом веке "американки", представлявшие комбинацию ножовки и двуручной пилы. Таким инструментом спилить небольшие деревья можно в одиночку. Куда сложнее была пила, оснащенная поддерживающими опорами, подпружиненными роликами и винтами, регулирующими прижим полотна к стволу. Видимо, из-за этой самой сложности она и не пользовалась популярностью у лесозаготовителей.

Лучковая пилаПодпружиненная пила "Компис"Много лет и небезуспешно для валки деревьев применяли лучковые пилы. В нашей стране они встречались еще в послевоенные годы. Их тонкие, из легированной стали полотна имели особенность - толщина спинки была больше, чем режущей части со сложным профилем зубьев. В конце 20-х - начале 30-х годов шведская фирма "Сандвикен" выпускала подпружиненные пилы "Компис", которые работали следующим образом. Сначала в ствол дерева упирали штангу, к ней крепилась возвратная пружина. Другой ее конец соединялся с одноручной пилой-ножовкой, которую в одну сторону тянул лесоруб, а другую - пружина.

А еще более сложная техника?

Первый лесоповалочный механизмПервые лесоповалочные механизмы появились в середине прошлого века. Так, в устройстве, придуманном американским инженером Гамильтоном в 1861 году, двое рабочих рукоятками вращали колесо-маховик с зубчатым венцом, тем самым приводя в возвратно-поступательное движение пильное полотно. Примерно в те же годы русский изобретатель Журавский первым предложил пилу, в которой роль режущего органа выполнял диск с зубьями. Вращался он от ручного привода, через коническую передачу, а крепился на раме, передвигавшейся по двум пазам в горизонтальном направлении.

Лесоповалочный механизм с паровой силовой установкойЕстественно, создатели подобных механизмов старались применять прежде всего стандартные узлы и детали, уже опробованные в технике. Тогда самой распространенной была паровая машина. Ее-то и включил в свой передвижной агрегат английский инженер Рансоме (1860г.). От ее силовой установки пар поступал по длинным шлангам к цилиндрам нескольких рабочих машин, к штокам которых крепились собственно пилы. Такие агрегаты можно было кое-где встретить в начале нынешнего столетия.

Электрический лесоповалочный механизм Но вот на смену пару пришло электричество. И уже в первые годы ХХ века в Германии изобрели способ валки деревьев с его помощью. Ствол обтягивали внизу стальной проволокой. Затем включали электромотор, проволока начинала быстро, словно лента транспортера, вращаться. Нагреваемая током, а также от трения она обугливала древесину и легко перепиливала ствол. При этом опасность лесного пожара исключалась, поскольку проволока нагревалась не докрасна.

Электропила "Харламова"Появление электродвигателей открыло возможность создавать самые разнообразные варианты электропил. Самый простой из них, пожалуй, механизм, разработанный в 1936 году архангельским механиком Харламовым. На раме крепился электромотор, на его удлиненном валу устанавливался конический фрикционный каток, соприкасавшийся с пильным диском и приводивший последний во вращение. Пилой Харламова - откровенно говоря, тяжеловатой - обычно управляли моторист с помощником. Позже этот агрегат пробовали облегчить, вырезав среднюю часть пильного диска - образовавшееся рабочее кольцо удерживалось изнутри распорными роликами, соединенными с фрикционной передачей и двигателем.

Электропила с лучковым полотномСтремление объединить достоинства лучковой пилы с возможностями электрифицированного привода способствовало возникновению довольно любопытных конструкций. Еще перед войной в Архангельске испытывалось необычное устройство. Из небольшого переносного контейнера, в котором располагались мотор, редуктор и цепная передача, выходили два длинных троса. Они соединялись с концами лучкового полотна. Происходило попеременное натяжение каждого троса и перемещение пильного полотна вперед-назад.

Электропила с бесконечным режущим полотномПервая режущая цепьОднако более простой и производительной оказалась лучковая пила, у которой режущее полотно представляло собой бесконечную ленту, натянутую на шкивы. К одному шел привод от электромотора. Этот инструмент разработали в 40-х годах сотрудники Свердловского лесотехнического института. И все-таки ни диск, ни ленточное полотно, даже кольцеобразное, не стали основой современных переносных механических пил. Ею стала режущая цепь, впервые предложена еще в 1858 году американцем Брауном. Его современники не оценили ни самого изобретения, ни его главного достоинства - компактности. Да и сам Браун вряд ли догадывался, что первые серийные образцы подобных пил появятся лишь спустя несколько десятилетий. Откровенно говоря, они были тяжеловатыми, громоздкими, орудовать ими в одиночку было не под силу даже Геркулесу. Пример тому - мотопила "Сектор", разработанная в 20-30-х годах шведским инженером Вестфельтом. На ней режущая цепь, натянутая по треугольному контуру через звездочки (одна ведущая), приводилась во вращение от бензинового двигателя через коническую передачу и длинный вал. Любопытная деталь - "расчет" шведской пилы насчитывал минимум трех лесорубов. Впрочем, в 30-40-х годах и у нас, и за рубежом на валке крупных деревьев широко применялись подобные пилы, обслуживаемые двумя мотористами и помощником. К ним, частности, относилась отечественная электропила, выпущенная в 1937 году.

Следует отметить, что ее основные узлы - электродвигатель, редуктор, шина, служившая направляющей для цепи, и система смазки - имеются и на современных мотопилах. И еще, устройство редуктора позволяло без особого труда поворачивать шину с цепью в горизонтальной и вертикальной плоскостях в зависимости от характера работы.

Электропила ВАКОППНо наиболее популярной у наших лесорубов была тогда электропила ВАКОПП, названная по первым буквам фамилий авторов. Она оказалась проще, удобней и легче предшественницы.

Электропила "Карелка"Что же касается пил, оснащенных бензомоторами, то в 30-40-х годах они по компоновке почти не отличались от электропил. Обычно с одной стороны пильной цепи располагался двигатель, а с другой - ее натяжное устройство и система смазки. Главным преимуществом бензопил перед электропилами была автономность - они не зависели от "постороннего" источника энергии и не нуждались в подводящем кабеле. И все-таки конструкторы электропил так просто не сдавались позиций. В частности, сотрудники Московского лесотехнического института оснастили свою "Карелку" двигателем повышенной до 200-400 Гц частоты тока. Однако несколько лучше зарекомендовал - применение консольной пильной шины. Электропилы с таким рабочим органом и получили в 50-х годах вальщики леса.

Бензопила "Дружба"И все же наибольшее распространение получили механические пилы с бензиновыми двигателями, которые со временем практически вытеснили электрические. К ним относилась и знаменитая бензомоторная пила "Дружба", названная так создателями в честь 300-летней годовщины воссоединения Украины с Россией. Легкая, простая и надежная, она долгие годы стала основным орудием наших лесорубов. "Дружба" выпускалась довольно долго, в нескольких модификациях. Нине ее место заняла более производительная и мощная мотопила "Урал", общая компоновка которой во многом повторяет хорошо отработанную "Дружбу".

В России (ранее СССР) наибольшее распространение получили пилы с высоко расположенными рукоятками, в то время как за рубежом отдается предпочтение пилам с низко расположенными рукоятками. С помощью данных пил можно не только валить деревья, но и освобождать их стволы от сучьев.


... ДО РОБОТА

История машиностроения для лесной промышленности так коротка, что люди старшего поколения стали свидетелями развития механизации лесозаготовительных работ. Первой движущей силой для внедрения механизации стало стремление облегчить тяжелую работу - понадобилась лебедка для того, чтобы трелевать древесину из лесосеки к дороге. Постепенно экономические факторы начали играть все более важную роль, и производительность стала основной составляющей любого производственного процесса.

Сто лет тому арсенал дровосека состоял из топора, пилы и конной тяги. Работа над созданием новых образцов техники началась восемь десятков лет назад, после того как во многих странах освоили массовое производство гусеничных машин. Именно тогда канадские инженеры создали, например, «танк-лесоруб». На его передке горизонтально монтировались два стальных неподвижных лезвия, размещенные под углом друг к другу. Налегая ими на ствол, мощный, тяжелый «танк» относительно быстро перерезал его.

К другому решению в 1935 году прибегнул советский инженер А. Харченко. Стараясь обойтись подручными средствами, ой установил на обычных санях бензомотор, от которого шел карданный вал к круговой пиле, размещенной на раме. Эта машина легко справлялась с деревьями любой толщины, но была весьма неповоротлива, да и без трактора-буксировщика не могла обойтись.

А раз так, то к чему, собственно, сани? И механик из Ярославля А. Маранов оснастил рамой с дисковой пилой серийный трактор СТЗ-3-НАТИ. Скорость вращения пилы определялась режимом работы двигателя, с которым ее связывал вал отбора мощности.

Обе валочные машины были действительно уникальными, поскольку существовали в единичных экземплярах. Главным их недостатком было то, что делались они на базе обычной транспортной техники, рассчитанной для работы на стройках и на полях. Для лесных условий — слабые почвы, косогоры, завалы — она оказалась непригодной. Поэтому перед конструкторами встала задача — создать гусеничную машину легкую, но мощную, устойчивую, но обладающую высоким клиренсом и малым удельным давлением на грунт.

Первыми такую машину разработали сотрудники Ленинградской лесотехнической академии, ЦНИИМЭ, а создали специалисты Кировского завода и Гипролесмаша в 1948 году. Трелевочный трактор КТ-12 был оснащен лебедкой, с помощью которой на корму машины подтягивались спиленные деревья. Там они укладывались на стальной щит, который поднимался, удерживая стволы при перевозке.

Ленинградцы применили на трелевщике газогенераторную силовую установку, работавшую на древесных чурках, а этого добра на лесосеках предостаточно. За создание КТ-12 известный конструктор, Герой Социалистического Труда Ж. Котин в 1948 году был удостоен Государственной премии.

Весил трактор КТ-12 всего 8,5 тонн, мощность двигателя была невелика - 37 лошадиных сил (27,2 кВт), но однако обладал хорошей проходимостью и маневренностью. Производительность на трелевке была довольно высока: при расстоянии трелевки 500 метров она составляла 25...30 м3 в смену.

Однако чурки далеко не лучший вид топлива, и на последующих моделях трелевочных тракторов начали устанавливать дизели. Что же касается компоновки, то она лишь немногим изменилась, разве что обводы машин стали привлекательней да кабина удобнее.

Сначала трелевщики занимались исключительно доставкой (с лесосеки к ближайшей дороге) стволов, которые вручную перегружали на автомобили-лесовозы. Лишь сравнительно недавно их стали оснащать механической рукой — манипулятором с гидравлическим захватом. Управляя им, не выходя из кабины, тракторист-оператор укладывал деревья на грузовую площадку своей машины.

Ну а теперь возвратимся к механизации труда самого лесоруба. Как уже говорилось, машины Харченко и Маранова не в счет. Сначала производственники попытались было обойтись такой комбинацией — пока лесоруб подрезал ствол «Дружбой», тракторист, оперируя захватом, удерживал дерево в вертикальном положении, а затем укладывал в определенном направлении. Выходила нелепость — около дерева гудели два двигателя — бензопилы и трактора, и двое рабочих выполняли одну работу. Сейчас уже трудно установить, кому первому пришла в голову простая мысль — оснастить трактор не только верхним захватом, но и пильной цепью, связанной с двигателем гидравлическим приводом. Так на делянках появились валочные машины, которые сначала расчищали отвалом подступы к дереву от снега и сучьев, затем фиксировали ствол верхним захватом и вгрызались в древесину у корневища пильной цепью. Такие машины особенно распространены у сибиряков.

Но куда аккуратней действует валочно-пакетирующая машина. Срезанные стволы она бережно укладывает в виде пакета, готового к перевозке. При этом ей вовсе не обязательно подъезжать к каждому дереву — оператор, поворачивая по кругу стрелу - манипулятор, поочередно, выборочно спиливает деревья, не ломая молодняка и не уминая почву гусеницами.

Еще универсальные валочно-трелевочные машины, которые не только формируют аналогичным образом пакеты леса, но и вывозят их на так называемый верхний склад для хранения и первичной обработки. Естественно, выгоднее и удобнее транспортировать «голые» стволы, без торчащих во все стороны веток.
Издревле их обрубали вручную, ныне же на лесосеки пришли самоходные сучкорезные агрегаты. Действуют они довольно решительно — обхватывают ствол полукруглыми ножами-захватами и через образовавшуюся острую кромку протаскивают его лебедкой, получая гладкий, прямой, что называется, без сучка и задоринки хлыст, который остается доставить на склад.
Правда, везти длиннющие хлысты по узким, извилистым лесным дорогам крайне неудобно. Целесообразнее пропускать каждый ствол через сучкорезно-раскряжевочную машину. Она не только очистит его от веток, но и, пустив в ход вертикальную пилу, разрежет на бревна заданной длины.

Однако и хлысты и бревна перед отправкой с верхнего склада необходимо еще раз погрузить на транспортное средство. Для этого воздвигали сложнейшую систему стрел, мачт-блоков, полиспастов, опутывая их сотнями метров стального троса. Все это стало ненужным после того, как инженеры из Москвы и Красноярска создали челюстной погрузчик перекидного типа. Он подсовывает под пакет хлыстов пару длинных ножей, подобных тем, что на автопогрузчиках, затем прихватывает его верхними изогнутыми ножами, сжимает и, перенеся через себя, укладывает на площадку лесовоза. Напомним, что создатели эти замечательной машины были удостоены в 1975 году Государственной премии.

Древесина — это не только хлысты, бревна и доски, но и сучья, ветки, кора, верхушки деревьев... До недавних пор их оставляли на лесосеке, где они гнили, подавляя своей массой молодые растения. Положение изменилось после появления машины-утилизатора. Длинной рукой-манипулятором она собирает отходы производства и переправляет в жерло рубильной установки, превращающей их в технологическую щепу — ценнейшее сырье для химической промышленности.

Техника облегчила труд лесорубов. Но возросли психологические нагрузки, испытываемые операторами валочных, трелевочных и других машин. Ежедневно им приходится выполнять одни и те же операции — выезд на рабочую позицию, захват дерева, срезание его, укладка, разделка. Такое однообразие донельзя выматывает, но не возвращаться же к топору и пиле? Микропроцессоры — вот благодаря чему удалось найти выход из создавшейся ситуации. Именно они позволили создать многофункциональные агрегаты.

За рубежом их называют «харвестерами» и выпускают на колесном, гусеничном и комбинированном шасси с независимой подвеской, обеспечивающей высокую проходимость. Основной рабочий орган — манипулятор — оснащен устройством, захватывающим дерево, срезающим его и ветки со ствола, разделывающим ствол на бревна. У тяжелых машин рабочий орган разделен — захват вынесен на манипулятор, а обрабатывающий узел крепится на шасси, у легких сучкорезное устройство совмещено с валочной головкой. После того как оператор зафиксирует захват у основания дерева, автоматически включается цепная пила или гидравлические ножницы, затем манипулятор подхватывает ствол и подносит к раскрытым ножам сучкореза.

Главное же заключается в том, что после наведения захватов управление всеми операциями осуществляет бортовая ЭВМ. Она перед включением протаскивающих вальцов смыкает ножи сучкорезной головки. Если же ствол случайно выскользнет из их объятий, то его тут же возвращают в исходное положение. Как только вальцы протянут ствол на определенное расстояние, включается пила, отрезая очередное бревно, при этом длина бревен автоматически рассчитывается, исходя из диаметра ствола у комля. Отметим, что программа разделки дерева высвечивается на дисплее или табло, установленном в кабине.

Кстати, иным стало и рабочее место водителя, которого лишь в силу традиции именуют лесорубом или трактористом. Это удобная, просторная кабина с круговым обзором, в которой поддерживается заданный микроклимат. Она сохраняет горизонтальное положение независимо от рельефа местности.

Направления совершенствования лесосечной техники – повышение надежности и производительности, улучшение условий работы оператора, уменьшение воздействия на лесную среду и, прежде всего на грунт. Интересным примером решения последней задачи может служить макетный образец харвестера на шагающем шасси, разработанный финской фирмой Plustech OY, которая является дочерней компанией Timberjack.

В лесу машина на шести "ногах" идет неторопливыми шагами и может работать на исключительно труднопроходимой местности. Шагающая машина не только двигается вперед и назад, но также в стороны и по диагонали. В добавлении к этому машина может поворачиваться вправо от места, где она стоит. Благодаря новым направлениям движения оператор может всегда выбрать короткий путь с следующей цели. Это сокращает количество движений, особенно по сравнению с движениями колесных машин или машин на гусеничном ходу, выполняющих аналогичные задачи. Местность диктует, где машина использует три, четыре или пять "ног" для движения. Шагающая машина обходит препятствия и приспосабливается к неровностям лесного грунта вместо попыток возвышения над землей. Более того, оператор может изменять клиренс машины от 200 до 1200 мм. В результате чего размер места соприкосновения с землей и уплотнение почвы сводятся к минимуму и не остается непрерывной колеи позади шагающего харвестера, которая остается позади стандартных машин.

"Душа" машины – разумная система контроля за работой "ног". Оператору нет необходимости контролировать работу "ноги", так как все осуществляется автоматически. Оператор просто поворачивает машину посредством одного рычага управления, который также используется для бесступенчатого регулирования скорости движения машины. Шагающая машина открывает новую перспективу потенциала в развитии новых природосберегающих методов механизации лесозаготовок.

Как мы видим, автоматизированная лесозаготовительная техника узкоспециального и многофункционального назначения неузнаваемо изменила, облегчила труд лесоруба, сделала его неизмеримо продуктивнее. При этом ее появление и внедрение произошло буквально на наших глазах. А что же появится на лесосеках к 2050 году?

Конечно же, роботизированные устройства. К примеру, такие, как агрегат, разработанный иркутскими учеными. Ему не нужны колеса и гусеницы — их заменили два захвата и пильные механизмы, расположенные на телескопической мачте. Приступая к работе, машина фиксируется на дереве одним захватом, вытягивает и прицепляется другим к соседнему дереву, выпускает к земле упоры и перепиливает ствол у комля. Затем робот выбирает следующий ствол, и операция повторяется. После этого на лесосеку направляется универсальный трелевщик, который вывезет хлысты.

Так, как же будут выглядеть машины будущего? Многим машинам все еще будут необходимы ходовая система и манипулятор для осуществления работ. Многие ученые и производственники считают, что колеса «останутся в моде», но может осуществиться их дальнейшее развитие, а также их использование в сочетании с шагающим механизмом. Для работы в горных условиях канатные установки будут применяться и в будущем. Они могут использоваться в сочетании с другими машинами. Также технология, положенная в основу создания шагающей лесной машины, формирует благоприятное направление для разработки новых машин, предназначенных для работы в тяжелых условиях.

Еще одна смелая версия – летающие лесозаготовительные машины. Для лесозаготовительных работ в горных условиях и в настоящее время иногда используются вертолеты. Через тридцать лет разработка летающих машин может стать реальностью, если будет осуществлено соответствующее финансирование. Но для того чтобы летающие машины заменили современные машины, необходима новая технология – современная технология с применением двигателя внутреннего сгорания не перспективна в данном направлении. Мы должны помнить о том, что современная передовая технология в будущем станет историей, несмотря на богатое воображение относительно будущего развития, реальность может оказаться ярче.

Вполне возможно, что на сильно заболоченных и овражистых участках трудиться станут роботы, выполненные на базе управляемых аэростатов и вертостатов. Закрепив якорь на дереве, выбранном по заданной программе бортовой ЭВМ, летающий лесоруб срежет ствол, очистит его от веток и поднимет в накопитель.

Так или иначе, одно ясно: будущее лесозаготовительной техники — за многооперационными, автоматизированными механизмами. А управлять ими предстоит тем, кто в наши дни учится в школе и начинает задумываться над тем, кем быть...