XXIX Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Машина для спиливания и транспортировки леса

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Андреев А.И. 1Лихтанский К.В. 1Бем И.М. 1Лапин В.А. 1

---

1ГАОУ «Многопрофильная гимназия федеральной территории «Сириус»

Попова Е.Е. 1

---

1ГАОУ "Многопрофильная гимназия федеральной территории "Сириус"

Работа в формате PDF

3.3 MB

Автор работы награжден дипломом победителя I степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение.

Актуальность проекта

Лесозаготовительная промышленность остается одной из ключевых отраслей экономики, однако традиционные методы работы сопряжены с высокими рисками для жизни операторов тяжелой техники и значительными физическими нагрузками.

Несмотря на автоматизацию, управление харвестерами и форвардерами в условиях сложного рельефа, плохой видимости или экстремальных температур все еще требует постоянного присутствия человека в опасной зоне. Кроме того, сохраняется проблема низкой эффективности на труднодоступных участках, где использование тяжелой гусеничной техники невозможно или экономически нецелесообразно. Создание компактного, частично или полностью автономного устройства для спиливания и первичной транспортировки леса позволит повысить безопасность труда, минимизировать человеческий фактор и оптимизировать логистику «от пня до склада». Также актуальность продиктована экологическим вектором: современные технологии направлены на безотходное производство, где даже древесные отходы перерабатываются в биотопливо, что требует точной и щадящей валки деревьев для сохранения молодой поросли.

Цель проекта — разработать концепцию и создать модель инновационного роботизированного устройства, способного выполнять операции по спиливанию деревьев, их первичной обработке и транспортировке, для повышения эффективности и безопасности лесозаготовительного процесса.

Задачи:

• проанализировать современные методы лесозаготовки, технологии первичной обработки древесины и способы погрузки, выявив их ограничения.

• изучить географию лесозаготовок в России, определив основные регионы и специфику их лесных фондов.

• провести обзор существующих решений и обосновать выбор собственной инновационной конструкции.

• разработать механическую схему устройства, подобрав оптимальные механизмы (манипуляторы, системы захвата, приводы) для работы с древесиной.

• создать алгоритм управления (программу), обеспечивающий обнаружение дерева, спил и перемещение.

• собрать прототип устройства и провести его демонстрацию.

Глава 1 Теоретические основы лесозаготовки.

1. 1. Современные методы лесозаготовки

Лесозаготовка — это сложный технологический процесс, который прошел путь от тяжелого ручного труда до высокотехнологичной автоматизации. В современной практике методы спиливания и вывоза леса принято делить на ручные и механизированные (Рисунок 1.1.1 Приложения). Выбор конкретного метода диктуется условиями работы, типом и состоянием дерева, а также доступностью пространства на лесосеке.

Ручные методы.

Несмотря на развитие техники, ручная валка остается актуальной при работе в труднодоступных местах, на крутых склонах или при необходимости точечной вырубки. Основные способы включают:

• Спил с земли (валка под основание). Классический метод, при котором дерево валится целиком. Требует тщательного расчета угла и глубины подпила, а также учета направления ветра и естественного уклона ствола.

• Спиливание с клином. Применяется для принудительного направления падения ствола. В основной подпил со стороны, противоположной падению, вставляется клин, который забивается до создания критического напряжения, после чего дерево теряет равновесие.

• Спиливание с оттяжкой. Используется для невысоких деревьев (3–5 метров). С помощью лебедки или системы веревок рабочие задают траекторию падения, которая может даже противоречить естественному наклону дерева.

Механизированные методы.

Автоматизация позволила не только кратно увеличить объемы заготовки, но и существенно повысить безопасность труда. К основным механизированным методам относятся:

• Промышленный альпинизм (спил арбористом). Специалист поднимается на дерево по веревкам и спиливает его частями сверху вниз. Это единственный безопасный способ работы в стесненных условиях — в плотной городской застройке, рядом с линиями электропередач или над зданиями.

• Использование спецтехники (автовышки и краны). Автовышка обеспечивает устойчивую платформу для работы с кроной, а кран позволяет аккуратно спускать спиленные фрагменты, что критически важно при работе с историческими или аварийными деревьями.

• Валочно-пакетирующие машины (ВПМ). Это специализированная техника для бескорневой валки леса. Машина оснащена манипулятором на телескопической стреле с захватно-срезающим устройством. ВПМ спиливает стволы и укладывает их в пачки (пакеты) непосредственно на землю для последующей трелевки.

• Харвестеры. Наиболее совершенный метод современной лесозаготовки. Это многофункциональные лесозаготовительные комбайны, которые реализуют технологию полного цикла: валка дерева, обрезка сучьев (протяжка), окорка и раскряжевка (распил) хлыста на сортименты заданной длины. Оператор управляет процессом из комфортной кабины с помощью компьютера и джойстиков. Бортовая система программирует разделку ствола по диаметру и длине, минимизируя отходы. Как правило, харвестер работает в связке с форвардером — машиной, которая собирает готовые бревна и вывозит их на погрузочную площадку.

Несмотря на технологический прогресс, лесозаготовительная промышленность остается зоной повышенного риска. Работа лесорубов традиционно входит в число наиболее травмоопасных. По статистике, на каждый миллион кубометров заготовленной древесины приходится одна потерянная человеческая жизнь. Основные риски связаны с непредсказуемой траекторией падения деревьев, отказом тяжелой техники и нарушением правил охраны труда.

К физическим проблемам относятся тяжелые условия труда, приводящие к заболеваниям опорно-двигательного аппарата, а также воздействие неблагоприятных погодных факторов (мороз, жара, насекомые). Дополнительную сложность создает удаленность лесосек, что увеличивает риск несвоевременного оказания медицинской помощи и затрудняет логистику оборудования.

1. 2. Первичная обработка древесины

Первичная обработка древесины представляет собой начальный этап технологического цикла, в ходе которого поваленное дерево (хлыст) превращается в деловой пиломатериал. Этот процесс включает в себя очистку ствола от сучьев и вершин, раскряжевку (поперечный распил на бревна определенной длины — сортименты), окорку (снятие коры) и, при необходимости, первичный распил на доски или брус.

В современной лесозаготовительной практике применяются два принципиально разных подхода к месту проведения этих работ, выбор которых зависит от технического оснащения предприятия и логистической схемы:

Обработка на месте спила (Сортиментная заготовка). Это наиболее распространенный и экологичный метод. Дерево обрабатывается непосредственно в лесу, в точке валки, с помощью комплекса тяжелых машин. Харвестер спиливает дерево, очищает его от ветвей и сразу распиливает на нужные отрезки. Главное преимущество метода заключается в том, что хвоя, листва и кора остаются в лесу, перегнивают и служат естественным удобрением для восстановления экосистемы. Кроме того, транспортировка готовых ровных бревен значительно проще и дешевле, чем перевозка целых деревьев.

Транспортировка в отдельное место (Хлыстовая заготовка). При этом методе дерево срезают и, очистив от сучьев, вывозят целиком (хлыстом) на нижний склад или лесопильный завод. Такая схема позволяет централизовать переработку. На крупном заводе проще организовать безотходное производство: кору и древесные отходы перерабатывают в щепу, пеллеты для отопления или используют в целлюлозно-бумажной промышленности.

Современные механизмы для первичной обработки (Рисунок 1.2.1 Приложения).

Ручной труд с бензопилой в промышленных масштабах практически полностью вытеснен высокотехнологичными машинами, которые обеспечивают точность и скорость.

В лесу (на лесосеке)

• Харвестер. Это главный лесозаготовительный комбайн, заменяющий целую бригаду рабочих. Машина захватывает дерево, спиливает его у корня и протягивает ствол через харвестерную головку. Встроенные ножи срезают сучья, а компьютерная система измеряет геометрию ствола, автоматически распиливая его на идеальные по размеру бревна.

• Форвардер. Напарник харвестера. Это мощный вездеходный трактор с манипулятором и грузовым отсеком. Его задача — собрать готовые сортименты, рассортировать их по породам или размерам и вывезти к лесовозной дороге.

На лесопильном предприятии.

Если древесина доставляется на завод в виде хлыстов или некондиционных бревен, в работу вступают стационарные автоматизированные линии:

• Окорочные станки (роторного типа). Быстро снимают кору, чтобы она не тупила пилы на следующих этапах. Снятая кора направляется на производство биотоплива.

• 3D-сканеры и лазерные оптимизаторы. Перед распилом каждое бревно сканируется. Компьютер мгновенно рассчитывает оптимальную схему раскроя, чтобы получить максимум качественных досок из конкретной кривизны и диаметра ствола, минимизируя количество отходов.

• Ленточнопильные и круглопильные станки. Распускают бревна на пиломатериалы. Современное оборудование отличается высокой скоростью и тончайшим пропилом, что позволяет экономить древесину .

• Фрезерно-брусующие линии. Позволяют превратить круглое бревно в готовый брус за один проход. Излишки древесины, снятые с боков, сразу перерабатываются в технологическую щепу.

Современная первичная обработка древесины стремится к полной автоматизации и безотходности. Благодаря внедрению умных машин и компьютерного зрения процесс стал не только безопасным для человека и щадящим для природы, но и максимально эффективным с экономической точки зрения.

1. 3. Технологии погрузки

Погрузка спиленных деревьев на транспорт — ключевой этап лесозаготовки, определяющий скорость вывоза древесины. В современной промышленности для этого используются гидравлические манипуляторы и тяговые лебедки (Приложение, Рисунок 1.3.1). Выбор метода зависит от этапа работ и сложности местности.

Манипуляторы для погрузки.

Манипуляторы являются основным оборудованием для механизированной погрузки. Эти гидравлические устройства устанавливаются на лесопогрузчиках, форвардерах или непосредственно на лесовозных автопоездах. Принцип работы заключается в следующем: оператор с помощью джойстиков управляет грейферным захватом, который поднимает бревно, переносит его через платформу и аккуратно укладывает в штабель. Благодаря шарнирно-сочлененной конструкции стрелы манипулятор обеспечивает высокую точность позиционирования. Эта технология позволяет организовать непрерывный поток древесины от места валки до лесовоза, минимизируя простои техники.

Лебедки для погрузки и трелевки.

Лебедки состоят из вращающегося барабана и стального каната. Чаще всего они выполняют вспомогательную роль или применяются в экстремальных условиях. Тяговые лебедки с чокерами (петлями) используются для подтаскивания поваленных деревьев к технике, если машина не может подъехать вплотную к месту валки. Кроме того, лебедки незаменимы в горной местности, на заболоченных участках или при высоком снежном покрове. Они помогают удерживать тяжелую технику на склонах от сползания и используются для самовытаскивания машин из нештатных ситуаций.

Манипуляторы отличаются высокой маневренностью и скоростью погрузки, однако их стоимость и энергопотребление достаточно велики. Лебедки, в свою очередь, позволяют эффективно работать на сложном рельефе и слабых грунтах, но в некоторых случаях трос может повреждать кору деревьев. Таким образом, манипуляторная технология является стандартом для погрузки готовой древесины на транспорт, а лебедочные системы остаются незаменимым инструментом для преодоления логистических сложностей в труднодоступной местности.

1. 4. География лесозаготовки

География лесозаготовок в России имеет строгую территориальную привязку к природным зонам. Главным фактором, определяющим места массовой вырубки, является наличие доступных и качественных ресурсов. Регионы и предприятия лесозаготовок в России представлены на Рисунке 1.4.1 Приложения.

Наиболее ценными для промышленности признаны бореальные (северные хвойные) леса. Исторически и экономически абсолютными лидерами по объемам заготовки древесины выступают два макрорегиона — Сибирь и Северо-Запад России.

Размещение производственных мощностей напрямую зависит от расположения лесных массивов. Лесопильные заводы обычно строятся максимально близко к местам вырубки. Это позволяет существенно снизить затраты на транспортировку тяжелого и объемного необработанного леса (хлыстов и сортиментов) к местам переработки. Основные центры лесопиления распределены вдоль транспортных артерий, проходящих через таежные зоны этих двух макрорегионов.

География присутствия крупнейших лесопромышленных холдингов также совпадает с главными лесными регионами. Крупные компании концентрируют свои активы там, где сосредоточены основные запасы древесины и развита логистика. Это обеспечивает им контроль над всей цепочкой — от заготовки на лесосеке до отгрузки готовой продукции потребителям.

Проведенный анализ показывает, что лесопромышленный комплекс России базируется на ресурсах таежных зон Сибири и Северо-Запада. Современная отрасль переживает трансформацию, концентрируя усилия на глубокой, безотходной переработке древесины непосредственно в регионах заготовки. Дальнейшее развитие лесной промышленности и экономическая стабильность страны напрямую зависят от соблюдения баланса между интенсивной заготовкой, строительством заводов вблизи вырубок и строгим соблюдением мер по защите и восстановлению лесных угодий.

Глава 2 Разработка и создание инновационного решения — «Машина для спиливания и транспортировки леса»

2.1 Варианты решения проблемы. Выбор инновационного решения

В современной лесозаготовке доминируют тяжелые комплексы «харвестер + форвардер». Они высокопроизводительны, но имеют критические недостатки: огромная стоимость, высокое давление на грунт (застревают в болотах) и невозможность работы на крутых склонах. Экспериментальные аэростатические роботы экологичны, но не способны транспортировать груз и зависят от ветра.

Наше инновационное решение — это компактный роботизированный комплекс для автономной лесозаготовки.

В отличие от огромных и дорогих харвестеров, которые застревают в болотах и не могут работать на крутых склонах, наша модель представляет собой небольшую гусеничную или колесную платформу. Она оснащена манипулятором с пильным аппаратом и системой датчиков.

Суть решения: робот самостоятельно находит дерево, спиливает его, захватывает манипулятором и самостоятельно погружает в свой кузов для транспортировки. Это исключает человека из опасной зоны валки и позволяет работать в труднодоступной местности, сохраняя при этом лесной подрост.

Преимущества нашей модели:

• Проходимость. В отличие от 20-тонных харвестеров, робот работает на крутых склонах, в густом подлеске и на заболоченных участках, не разрушая почву.

• Автономность и безопасность. Машина исключает человека из зоны непосредственной валки деревьев, минимизируя риск травматизма.

• Экологичность. Компактность позволяет сохранять молодую поросль и не требует прокладки широких уродующих ландшафт технологических дорог.

• Универсальность. Модель способна выполнять как спил, так и первичную транспортировку, заменяя собой сразу два этапа работы классического комплекса.

2.2 Конструкция: задачи, выбор механизмов

Мы реализовали свою идею на базе конструктора LegoWedo 2.0. Модель «Машина для спиливания и транспортировки леса» представлена на Рисунке 2.2.1 Приложения.

В рамках разработки проекта «Машина для спиливания и транспортировки леса» была спроектирована кинематическая схема, обеспечивающая выполнение полного цикла лесозаготовительных работ в полуавтоматическом режиме. Конструкция разделена на функциональные узлы, каждый из которых оснащен специализированными приводами и интегрирован в общую систему управления.

Ниже приведено подробное описание основных систем модели:

1. Ходовая часть и колесный привод.

Для обеспечения мобильности и устойчивости модели на пересеченной местности использована четырехколесная колесная база. Привод ходовой части осуществляется от двух независимых электродвигателей. Передача вращательного момента на колеса реализована через понижающие зубчатые передачи с промежуточными шестернями. Данная схема гарантирует высокий крутящий момент, необходимый для уверенного передвижения модели с грузом.

2. Механизм для спиливания леса.

Рабочий орган предназначен для имитации процесса срезания древесины. Кинематическая схема привода функционирует через угловую понижающую зубчатую передачу. Вращение далее передается на две большие одинаковые шестерни, находящиеся в равнозначном зацеплении. Такое техническое решение корректно имитирует работу пильного аппарата, обеспечивая необходимую скорость и усилие на рабочем органе.

3. Механизм захвата леса.

Удержание спиленного бревна осуществляется с помощью двух больших рычагов, поворачивающихся в разные стороны для надежной фиксации груза. Перемещение и смыкание рычагов реализованы посредством понижающей зубчатой передачи с использованием промежуточной шестерни. Это обеспечивает синхронность работы захвата и позволяет развивать достаточное усилие для удержания бревна.

4. Механизм переворота и погрузки бревна.

Данный узел отвечает за изменение пространственного положения бревна и его последующую погрузку в кузов машины. Привод переворота реализован на базе червячной передачи. Выбор данного механизма обусловлен его ключевым свойством — способностью передавать высокий крутящий момент и осуществлять самоторможение, что позволяет надежно фиксировать бревно в требуемом положении без постоянной подачи питания на мотор.

5. Система автоматизации и датчики.

Для координации работы всех механизмов в фронтальной части модели установлен датчик движения. Алгоритм работы системы выстроен следующим образом: при обнаружении объекта (дерева) датчик подает сигнал на экстренную остановку ходовой части. После фиксации машины активируется запрограммированная последовательность выполнения рабочих операций:

• Запуск механизма спиливания леса.

• Активация механизма захвата.

• Подъем и переворот бревна.

• Погрузка в кузов.

Интеграция датчика движения в систему управления, рациональное распределение приводов и применение комбинированных механических передач позволили создать не просто механическую модель, а функциональный автоматизированный комплекс. Разработанная лесозаготовительная машина способна самостоятельно обнаруживать препятствие и выполнять полный цикл работ: от остановки и распиловки до захвата, переворота и погрузки леса в кузов. (Рисунок 2.2.2 Приложения):

2.3 Программа

Программная реализация проекта основана на взаимодействии датчика движения и 4 моторов. Все элементы работают как единая система, управляемая программой LegoWeDo2.0 (Рисунок 2.3.1 Приложения).

Управление моделью лесозаготовительной машины реализовано на основе разделения программного обеспечения на две взаимосвязанные части, которые запускаются с 2 компьютеров: автономный автоматизированный контур (поиск, распил, отход) и контур ручного управления механизмами погрузки.

Первая часть программы - автономный режим: движение, остановка по датчику, распил, отъезд

Эта часть программы функционирует непрерывно в циклическом режиме. Для переключения между различными подзадачами и активации отдельных блоков используется система передачи внутренних сообщений («писем»).

Робот осуществляет движение вперед, программа находится в постоянном режиме ожидания датчика движения. При обнаружении препятствия (дерева) датчик подает сигнал, который через передачу соответствующего сообщения мгновенно останавливает ходовую часть.

Программа автоматически активирует механизм спиливания дерева.

После завершения цикла распила активируется команда реверса, обеспечивающая автоматический отъезд робота назад на безопасное расстояние для беспрепятственной работы манипулятора.

Вторая часть программы - ручное управление погрузкой

Данный блок программы отвечает за операции с манипулятором и работает под управлением оператора.

Управление исполнительными механизмами осуществляется дистанционно с пульта управления с помощью запрограммированных кнопок (1, 2, 3, 4), каждая из которых отвечает за свой этап работы:

Кнопка 1: Подъем манипулятора.

Кнопка 2: Опускание манипулятора

Кнопка 3: Захват дерева.

Кнопка 4: Отпускание захвата, погрузка дерева.

Гибридная схема управления, объединяющая непрерывный автономный цикл обнаружения и распила дерева (на основе датчика движения и системы передачи сообщений) с ручным пультовым управлением погрузочными механизмами, позволяет эффективно распределить задачи между роботом и оператором. Такой подход обеспечивает высокую скорость работы на этапе валки и гарантирует стабильность, точность и сохранность груза на этапе погрузки.

2.4 Демонстрация проекта

Представьте густую чащу или крутой склон, куда обычной технике не проехать. Наша машина медленно выезжает на исходную позицию.

Она плавно движется вперед, непрерывно сканируя лес своим датчиком движения. Вдруг объектив замирает: препятствие обнаружено. Это дерево.

Машина мгновенно останавливается. Раздается тихое жужжание сервоприводов — это оживает манипулятор. Пильная шина опускается, делает быстрый и точный срез у основания ствола.

Дерево падает на специальные захваты. Манипулятор уверенно поднимает бревно, переносит его через корпус робота и аккуратно укладывает в кузов.

Слышен щелчок фиксатора — бревно закреплено. Машина готова везти ценный груз на склад. Демонстрация полного цикла работ завершена: от поиска до погрузки — всё сделано самостоятельно, без участия человека в опасной зоне.

Заключение

В ходе выполнения проекта была достигнута его основная цель — разработана концепция и создана действующая модель инновационного роботизированного устройства для спиливания и первичной транспортировки леса.

В первой главе был проведен глубокий анализ отрасли, в ходе которого мы изучили современные методы лесозаготовки, выявили их ограничения, такие как высокий травматизм и зависимость от тяжелой техники, а также рассмотрели специфику первичной обработки древесины, стремящейся к безотходности. Исследование географии лесозаготовок России, сосредоточенной в Сибири и на Северо-Западе, подтвердило актуальность проблемы: существующая тяжелая техника не справляется с труднодоступными участками и сложным рельефом, что тормозит освоение новых фондов. Обзор существующих решений показал, что классические харвестеры слишком громоздки, а экспериментальные дроны не обладают необходимой грузоподъемностью, что позволило обосновать выбор нашего инновационного решения — компактного наземного робота.

Во второй главе описана практическая реализация, в рамках которой была спроектирована и собрана механическая модель на базе Lego WeDo 2.0. Для выполнения поставленных задач были подобраны оптимальные механизмы: ходовая часть с понижающими передачами для обеспечения тяги, механизм спиливания на базе угловой зубчатой передачи, система захвата с синхронными рычагами и механизм погрузки на базе червячной передачи для надежной фиксации груза. Создан гибридный алгоритм управления, где автономный контур на базе датчика движения и системы сообщений позволил роботу самостоятельно находить дерево, выполнять спил и безопасно отъезжать, а контур ручного управления обеспечил оператору точность при манипуляциях с грузом.

Проведенная демонстрация подтвердила работоспособность модели, так как робот успешно выполнил полный технологический цикл — от автономного обнаружения препятствия до погрузки бревна в кузов.

Таким образом, поставленные задачи полностью выполнены. Разработанная модель доказывает, что применение компактной робототехники позволяет повысить безопасность труда, исключив человека из зоны валки, и сделать возможной работу в тех географических условиях, которые недоступны для традиционных методов.

Проект имеет практическую значимость для развития лесной промышленности в труднодоступных регионах России и может быть масштабирован для использования реального оборудования в будущем.

Список литературы и интернет-источников

Список литературы

1. Исогава, Й. Большая книга идей LEGO Technic. Техника и изобретения: Йошихито Исогава. / Й. Исогава // Эксмо. – 2021.

2. Филиппов, С.А. Уроки робототехники. Конструкция. Движение. Управление. / С.А. Филиппов // Лаборатория знаний. – 2017.

Интернет-источники

3. tass.ru

4. moluch.ru

5. Технологические процессы лесозаготовок и первичной обработки // Информационный портал лесной отрасли WOOD.RU. - URL: https://www.wood.ru

6. Обзор современной лесозаготовительной техники и оборудования лесосек // Отраслевой журнал "Лесной комплекс". - URL: https://forestcomplex.ru

7. Этапы и методы первичной переработки круглого леса // Электронный ресурс "Технология деревообработки". - URL: http://www.woodtechnology.ru

8. https://brstu.ru/static/unit/journal_smt/docs/number-65/146-154.pdf

9. https://elib.belstu.by/bitstream/123456789/6436/1/loi_lesoskladskoe-oborudovanie.pdf

10. https://www.vavilovsar.ru/files/pages/14691/14327974535.pdf

11. https://studfile.net/preview/6888757/page:5/

12. https://stroy-technics.ru/article/trelevka-lesa

13. База данных информационно-аналитического портала "Лес Онлайн": Площадь лесных земель в странах мира. Режим доступа: https://www.lesonline.ru/

14. Аналитические материалы Рослесинфорга: Рейтинг крупнейших компаний лесопромышленного комплекса. Режим доступа: https://roslesinforg.ru/

Приложение