ВведениеВ лесной промышленности технический прогресс зависит от прогрессивности технологических процессов, технического уровня лесозаготовительных машин, а также эффективности их работы. На долю оборудования и инструмента в лесной промышленности приходится более половины капиталовложений. Российские и зарубежные исследователи отмечают актуальность внедрения технологических процессов заготовки древесины, основанных на применении специализированных колесных лесозаготовительных машин. С каждым годом лесопромышленные предприятия Российской Федерации отдают все больше предпочтения Скандинавской технологии заготовки древесины, при которой используется комплекс машин, включающий в себя харвестр и форвардер на колесном движителе. Данные машины ориентированы на заготовку круглого древесного сырья в виде сортиментов с последующей их трелевкой по лесосеке в полностью погруженном состоянии. Основные требования, предъявляемые к колесным форвардерам – это высокие рабочие скорости движения, хорошая проходимость, комфортные условия труда оператора, безопасность при работе, обеспечиваемая эффективной тормозной системой [1, 2, 3, 4]. Условия, в которых эксплуатируются форвардеры весьма разнообразны. Они характеризуются пересеченным рельефом местности, слабонесущими грунтами, встречающимися единичными неровностями (пни, камни, валежник), крутыми подъемами и спусками и т.д. [5, 6]. При этом в данных условиях оператору форвардера необходимо выполнять технологические операции погрузки и разгрузки сортиментов с частыми остановками машины [7].В работе проводится исследование по определению нагрузок в пятне контакта колес, расчет тормозных механизмов шарнирно-сочлененного форвардера колесной формулой 8х8 для различных условий (горизонтальное положение, спуск и подъем) [8].Технические требования к рабочей и стояночной тормозным системам лесозаготовительных машин должны соответствовать требованиям ГОСТ ISO 11169-2011 [9].Согласно ГОСТ ISO 11169-2011 «Тракторы лесопромышленные и лесохозяйственные колесные, машины лесозаготовительные и лесохозяйственные колесные. Требования к эффективности и методы испытаний тормозных систем» рабочая и стояночная тормозные системы должны удерживать неподвижно машину при переднем и заднем ее положении на уклоне 40% [10, 11, 12]. Самым тяжелым с точки зрения удержания форвардера будет случай спуска с уклона, поскольку в этом случае возникают большие значения нормальных реакций в колесах, по сравнению со случаем подъема [13, 14, 15]. Его расчетная схема представлена на рисунке 2.Материалы и методы Расчет статических реакций по осямВыполнен расчет статических реакций при горизонтальном положении, подъеме и спуске форвардера  при снаряженной и полной массе.Исходные данные для расчета представлены в таблице 1. При расчетах были приняты допущения о том, что жесткость подвески каждой из осей одинакова, контакт колеса с опорной поверхностью точечный, реакция от задней тележки приложена к опорному основанию, линия ее действия проходит через ось вращения балансира.Расчет реакций при расположении форвардера на горизонтальной опорной поверхностиРасчетная схема определения нагрузок в пятне контакта при горизонтальном положении форвардера представлена на рисунке 1. Начало координат принято в центре переднего балансира.Реакция на переднем балансире:Rz1=M∙g∙(l4-lc)l4                                                                                                                                                                                    (1)Реакция под передним колесом:Rz11=Rz14                                                                                                                                                                                                            (2)Реакция на заднем балансире:Rz2=M∙g-Rz1                                                                                                                                (3)Реакция под задним колесом:Rz21=Rz24                                                                                                                                                                                                             (4) Рисунок 1. Расчетная схема определения нагрузокв пятне контакта при горизонтальном положении форвардераFigure 1. Calculation scheme for determining the loads in the contact spot at the horizontal position of the forwarderИсточник: собственная композиция авторовSource: author’s composition Полученные результаты расчета отражены в табл. 2.Расчет реакций в пятне контакта колеса при спуске и подъемеРасчетная схема определения нагрузок в пятне контакта при спуске форвардера представлена на рис. 2. Расчетная схема определения нагрузок в пятне контакта при подъеме форвардера представлена на рис. 3. Начало координат принято в центре переднего балансира. При расчете параметров при спуске принимается положительное значение угла α, при подъеме – отрицательное.Реакция на переднем балансире:Rz1=M∙g∙sin(α)∙zc+M∙g∙cos(α)∙(l4-lc)l4                                                                                                  (5)Реакция под передним колесом:Rz11=Rz14                                                                                                                                                                                                                                                                                        (6)Реакция на заднем балансире:Rz2=M∙g-Rz1                                                                                                                                                                                                           (7)Реакция под задним колесом:Rz21=Rz24                                                                                                                                                                                                                                                                                                       (8)Результаты расчетов отражены в табл. 2. Также в таблицу включены результаты для спуска на уклоне 40 %, необходимые для расчета тормозных свойств. Рисунок 2. Расчетная схема определения нагрузокв пятне контакта при спуске форвардераFigure 2. Calculation scheme for determining the loadsin the contact spot during the descent of the forwarderИсточник: собственная композиция авторовSource: author’s composition Рисунок 3. Расчетная схема определения нагрузокв пятне контакта при подъеме форвардераFigure 3. Calculation scheme for determining the loadsin the contact spot when lifting the forwarderИсточник: собственная композиция авторовSource: author’s composition    Таблица 3Исходные данныеTable 3Initial dataПараметрParameterОписаниеDescriptionСнаряженная масса форвардера, кгCurb weight of forwarder, kg21 000Полная масса, кгGross weight, kg41000Максимальный угол преодолеваемого подъема, α, % (°)Maximum angle of ascent to be overcome, α, % (°)50 (26,565)Снаряженная масса | Curb weightРасстояние вдоль оси Х от начала координат до центра тяжести, lc, ммDistance along the X-axis from the origin to the center of gravity, lc, mm2782Расстояние вдоль оси Z от начала координат до центра тяжести, Zc, ммDistance along the Z axis from the origin to the center of gravity, Zc, mm539Полная масса | Gross weightРасстояние вдоль оси Х от начала координат до центра тяжести, lc, ммDistance along the X-axis from the origin to the center of gravity, lc, mm4234Расстояние вдоль оси Z от начала координат до центра тяжести, Zc, ммDistance along the Z axis from the origin to the center of gravity, Zc, mm1452Источник: собственные вычисления авторовSource: own calculations  Таблица 2Результаты расчетов нормальных реакций форвардераTable 2Results of calculations of normal reactions of the forwarderПараметрParameterГориз. положениеHoriz. positionСпускα = 40%DescentСпускα = 50%DescentПодъемα = 50%LiftСнаряженная масса | Curb weightНормальная реакция на переднем балансире, кНNormal reaction on the front balancer, kN113,5398,7693,54109,55Нормальная реакция на переднем колесе, кНNormal reaction on the front wheel, kN28,3824,6923,38527,388Нормальная реакция на заднем балансире, кНNormal reaction on the rear balance beam, kN92,40792,4590,6674,65Нормальная реакция на заднем колесе, кНNormal reaction on the rear wheel, kN23,1023,1122,6718,66Полная масса | Gross weightНормальная реакция на переднем балансире, кНNormal reaction on the front balancer, kN127,5083,4171,92156,15Нормальная реакция на переднем колесе, кНNormal reaction on the front wheel, kN31,8720,8517,9839,037Нормальная реакция на заднем балансире, кНNormal reaction on the rear balance beam, kN274,58289,91287,7203,48Нормальная реакция на заднем колесе, кНNormal reaction on the rear wheel, kN68,6472,4871,9350,87Источник: собственные вычисления авторовSource: own calculations  Таблица 3Технические параметры тормозной системы моста NAF TAP 7601Table 3Technical parameters of the brake system of the axle NAF TAP 7601Рабочая тормозная система | Service brake systemТормозной момент фрикционов (дин.), Н·м | Braking torque of the frictions (din.), N·m3300Тормозной момент колес (дин.), Н·м | Braking torque of wheels (din.), N·m60000Тормозной момент фрикционов (стат.), Н·м | Braking torque of the frictions (stat.), N·m5000Тормозной момент колес (стат.), Н·м | Braking torque of wheels (stat.), N·m90800Давление, бар | Pressure, bar80..100Активная площадь поршня, мм2 | Active area of the piston, mm21410 Требуемое начальное давление, бар | Required initial pressure, bar0,5..1,5Ход, мм | Stroke, mmновые фрикционы | new frictionмаксимальное значение | maximum value 5-611Стояночная тормозная система | Parking brake systemТормозной момент фрикционов (стат.), Н·м | Braking torque of the frictions (stat.), N·m6200Тормозной момент колес (стат.), Н·м | Braking torque of wheels (stat.), N·m112 000Противодавление, бар | Back pressure, bar40..80Активная площадь поршня, мм2 | Active area of the piston, mm24880 Ход, мм | Stroke, mmновые фрикционы | new frictionмаксимальное значение | maximum value 5-611Источник: nafaxles.comSource: nafaxles.com Таблица 4Результаты расчетов тормозных свойств форвардера Table 4Results of calculations of braking properties of forwarderПараметрParameterСпускα = 40%DescentСпускα = 50%DescentПодъемα = -50%LiftСнаряженная масса | Curb weightТребуемый суммарный тормозной момент, Тторм, кН·мRequired total braking torque, Tторм, kN·m51,0261,43-61,43Коэффициент запаса тормозных механизмов, kтормBrake reserve ratio, kторм3,562,962,96Максимальный суммарный момент колес по трению, Тсцеп, кН·мThe maximum total friction torque of the wheels, Tсцеп, kN·m70,1467,5767,57Коэффициент запаса по сцеплению, kсцепThe coefficient of the clutch reserve, kсцеп1,371,11,1Полная масса | Gross weightТребуемый суммарный тормозной момент, Тторм, кН·мRequired total braking torque, Tторм, kN·m99,6119,93119,93Коэффициент запаса тормозных механизмов, kтормBrake reserve ratio, kторм1,821,5141,514Максимальный суммарный момент колес по трению, Тсцеп, кН·мThe maximum total friction torque of the wheels, Tсцеп, kN·m136,95131,93131,93Коэффициент запаса по сцеплению, kсцепThe coefficient of the clutch reserve, kсцеп1,371,11,1Источник: собственные вычисления авторовSource: own calculations  Максимальная нормальная нагрузка на мост 289,9кН возникает при полной массе при спуске на 40% уклоне, соответствующая нормальная нагрузка на колеса составляет 72,48 кН.Результаты и обсуждениеИсходные данные для расчета и результаты расчета нормальных реакций Rz отражены в таблице 1 и 2 соответственно. Рассматриваются случаи спуска при угле 40% для удовлетворения требований ГОСТ ISO 11169-2011, а также спуска и подъема при угле 50% для удовлетворения требования Технического задания по преодолению максимального уклона.Значение требуемого для удержания форвардера суммарного тормозного момента колес определяется по формуле (9):Tторм=M∙g∙sinα∙rko ,                                                                                                                (9)где M – масса форвардера;α – угол наклона опорного основания;rko – статический радиус колеса. Для шины 750/55 B26.5  rko = 667мм.Коэффициент запаса тормозных механизмов форвардера определяется по формуле (10):kторм=2∙Tторм_мостаTторм ,                                                                                                                                                                         (10)где Тторм_моста – суммарный тормозной момент всех колес моста.На форвардере планируется применять мосты NAF TAP 7601. Технические параметры тормозной системы моста NAF TAP 7601 представлены в таблице 3.Из таблицы 3 принимаем Тторм_моста= 90,8 кН·м – тормозной момент рабочего тормоза в статике (заблокированное положение). При выполнении требований ГОСТ ISO 11169-2011 и Технического задания рабочими тормозами, их выполнение стояночным тормозом становится гарантированным, поскольку значение тормозного момента стояночной тормозной системы больше чем рабочей (таблица 3).Также проводится расчет максимального момента по трению для подтверждения возможности остановки и нахождения форвардера в заданном положении. Максимальный суммарный момент колес по трению:Tсцеп=M∙g∙cosα∙μ∙rko ,                                                                                                          (11)где μ – коэффициент сцепления. Для твердого сухого опорного основания принимаем μ = 0,55.Коэффициент запаса по трению определяется по формуле (12):kсцеп=TсцепTторм ,                                                                                                                                                                                     (12)Полученные результаты расчетов тормозных свойств форвардера представлены в табл. 4. По полученным результатам видно, что все значения коэффициентов запаса тормозных механизмов и коэффициентов запаса по сцеплению имеют значения > 1. Исходя из этого можно сделать вывод, что имеющиеся тормоза позволяют удовлетворять требования ГОСТ ISO 11169-2011 и Технического задания.Расчет распределения тормозных моментов по мостамВ данной части проводится расчет распределения тормозных моментов по мостам с целью получения режимов их работы. Уравнение равновесия относительно продольной оси имеет вид:M∙g∙sinα=Rx1+Rx2 ,                                                                                                               (13)где Rx1, Rx2 – суммарные продольные реакции колес, приведенные к оси переднего и заднего моста соответственно.В случае, когда момента тормозных механизмов моста достаточно для удержания соответствующего моста, значения продольных реакций, возникающих в колесах в статическом положении, разделятся пропорционально нормальным реакциям:Rx1= Rz1Rz2Rx2 ,                                                                                                                                                                                                                   (14)Тогда уравнение (13) примет вид:M∙g∙sinα=Rz1Rz2Rx2+Rx2 ,                                                                                         (15)Исходя из уравнения (15) находятся значения продольных реакций задней тележки Rx2, далее из уравнения (13) определяются значения продольных реакций передней тележки Rx1. Требуемые суммарные тормозные моменты колес тележек определяются по формуле:Tтормi=Rxi∙rko ,                                                                                                                                                                                              (16)где Ттормi – суммарный тормозной момент i-ой тележки.Коэффициент запаса тормозных механизмов моста определяется по формуле:kтормi=Tторм_мостаTтормi ,                                                                                                                                                                           (17)Максимальный суммарный момент колес по трению, приведенный к оси моста определятся по формуле:Tсцепi=Rzi∙μ∙rko ,                                                                                                                                                                           (18)Коэффициент запаса по трению определяется по формуле:kсцепi=TсцепiTтормi ,                                                                                                                                                                                   (19)Полученные результаты расчетов тормозных свойств по осям форвардера представлены в табл. 5.Исследования результатов расчета тормозных свойств форвардера представлены на рис. 4 в виде диаграммы распределения тормозных моментов по ведущим мостам форвардера. Следует выделить, что в снаряженном состоянии при подъеме в 50% требуемый тормозной момент всех колес переднего моста, приведенный к оси переднего моста Тторм1 = 36,54 кН·м при этом максимально-реализуемый тормозной момент по сцеплению всех колес переднего моста, приведенных к оси переднего моста Тсцеп1 = 40,19 кН·м. На диаграмме (рис. 4) характерно выделяется, что при полной массе форвардера на спуске 40 % и 50 % максимально-реализуемый тормозной момент по сцеплению всех колес заднего моста, приведенных к оси заднего моста составил от 105 – 106 кН·м, а на спуске 50 % требуемый тормозной момент всех колес заднего моста, приведенный к оси заднего моста составил до 96 кН·м.По полученным результатам видно, что момента тормозных механизмов заднего моста не хватает для удержания ПТМ на 50% уклоне, в этом случае, нереализованная часть продольной реакции воспринимается тормозными механизмами переднего моста. Такое перераспределение позволит удовлетворить требования ГОСТ ISO 11169-2011 и Технического задания.Было проведено сравнение тормозных свойств с аналогами. Аналоги, соответствующие мировым достижениям были определены на основе патентно-информационных и аналитических исследований. Основные значения показателей аналогов определены на основе изучения проспектов, каталогов зарубежных фирм и экспериментальных данных исследователей [16, 17, 18]. В качестве основных параметров при выборе аналогов приняты масса машины, грузоподъемность, колесная формула, дорожный просвет, база, габаритные размеры, применяемыми шинами 750/55 B26.5 и все аналоги оснащены мостами NAF. Технические характеристики аналогов представлены в табл. 6. При исследовании тормозных свойств разрабатываемого форвардера был получен коэффициент запаса тормозных механизмов переднего и заднего мостов и проведено его сравнение с тормозными свойствами аналогов (John Deere 1910E и Ponsse Elephant King). Коэффициенты запаса тормозных механизмов переднего и заднего мостов форвардеров для снаряженной и полной массы представлены на рис. 5 (при торможении на спуске α = 50%) и на рис. 6 (при торможении на подъеме α = -50%).В результате сравнения было получено, что разрабатываемая тормозная система форвардера в целом не уступает импортным аналогам и в рассматриваемых случаях нагружения позволяет обеспечить работоспособность машины. ВыводыМаксимальная нормальная нагрузка на мост 289,9кН возникает при полной массе при спуске на 40 % уклоне, соответствующая нормальная нагрузка на колеса составляет 72,48 кН.По полученным результатам видно, что все значения коэффициентов запаса тормозных механизмов и коэффициентов запаса по сцеплению имеют значения > 1. Исходя из этого можно сделать вывод, что имеющиеся тормоза форвардера позволяют удовлетворять требования ГОСТ ISO 11169-2011 и Технического задания. По полученным результатам видно, что момента тормозных механизмов заднего моста не хватает для удержания форвардера на 50 % уклоне, в этом случае, нереализованная часть продольной реакции воспринимается тормозными механизмами переднего моста. Такое перераспределение позволит удовлетворить требования ГОСТ ISO 11169-2011 и Технического задания. Таблица 5Результаты расчетов тормозных свойств по осям форвардераTable 5The results of calculations of braking properties on the axes of the forwarderПараметрParameterСпускα = 40%DescentСпускα = 50%DescentПодъемα = -50%LiftСнаряженная масса | Curb weightТребуемый тормозной момент всех колес переднего моста, приведенный к оси переднего моста, Тторм1, кН·мRequired braking torque of all front axle wheels, brought to the front axle axle, Тторм1,, kN·m26,3531,2036,54Максимально-реализуемый тормозной момент по сцеплению всех колес переднего моста, приведенных к оси переднего моста Тсцеп1, кН·мMaximum-realizable braking torque on the coupling of all front axle wheels brought to the axle of the front axle Тсцеп1, kN·m36,2334,3240,19Коэффициент запаса тормозных механизмов переднего моста, kторм1Coefficient of reserve of brake mechanisms of the front axle3,452,912,48Коэффициент запаса по сцеплению переднего моста, kсцеп1Coefficient of the reserve on the clutch of the front axle1,371,11,1Требуемый тормозной момент всех колес заднего моста, приведенный к оси заднего моста, Тторм2, кН·мRequired braking torque of all rear axle wheels, driven to the rear axle axle, Тторм2, kN·m24,6630,2324,89Максимально-реализуемый тормозной момент по сцеплению всех колес заднего моста, приведенных к оси заднего моста Тсцеп1, кН·мMaximum-realizable braking torque on the coupling of all rear axle wheels brought to the rear axle axle Тсцеп1, kN·m33,9133,2627,38Коэффициент запаса тормозных механизмов заднего моста, kторм2Coefficient of reserve of brake mechanisms of the rear axle3,683,003,65Коэффициент запаса по сцеплению заднего моста, kсцеп2Coefficient of the reserve on the clutch of the rear axle1,371,11,1Полная масса | Gross weightТребуемый тормозной момент всех колес переднего моста, приведенный к оси переднего моста, Тторм1, кН·мRequired braking torque of all front axle wheels, brought to the front axle axle, Тторм1,, kN·m22,2523,9952,07Максимально-реализуемый тормозной момент по сцеплению всех колес переднего моста, приведенных к оси переднего моста Тсцеп1, кН·мMaximum-realizable braking torque on the coupling of all front axle wheels brought to the axle of the front axle Тсцеп1, kN·m30,6026,3957,28Коэффициент запаса тормозных механизмов переднего моста, kтормiCoefficient of reserve of brake mechanisms of the front axle4,083,781,74Коэффициент запаса по сцеплению переднего моста, kсцепCoefficient of the reserve on the clutch of the front axle1,371,11,1Требуемый тормозной момент всех колес заднего моста, приведенный к оси заднего моста, Тторм2, кН·мRequired braking torque of all rear axle wheels, driven to the rear axle axle, Тторм2, kN·m77,3595,9567,86Максимально-реализуемый тормозной момент по сцеплению всех колес заднего моста, приведенных к оси заднего моста Тсцеп1, кН·мMaximum-realizable braking torque on the coupling of all rear axle wheels brought to the rear axle axle Тсцеп1, kN·m106,35105,5474,65Коэффициент запаса тормозных механизмов заднего моста, kтормCoefficient of reserve of brake mechanisms of the rear axle1,170,951,34Коэффициент запаса по сцеплению заднего моста, kсцепCoefficient of the reserve on the clutch of the rear axle1,371,11,1Источник: собственные вычисления авторовSource: own calculations  Рисунок 4. Диаграмма распределения тормозных моментов по ведущим мостам форвардераFigure 4. Distribution of braking moments on the drive axles of the forwarderИсточник: собственная композиция авторовSource: author’s compositionТаблица 6 Технические характеристики аналоговTable 6Technical characteristics of analoguesНаименование показателя, единица измеренияName of the indicator, unit of measurementРазрабатываемый форвардерDevelopment forwarderJohn Deere 1910EPonsseElephant KingКолесная формула | Wheel formula8х88х88х8Грузоподъемность, кг | Load capacity, kg190001900020000Дорожный просвет, мм | Ground clearance, mm730755800База, мм | Base, mm620056005600Габаритные размеры, м, длина х ширина х высотаOverall dimensions, m, length x width x height11х3,8х411,27х3,8x3,711х3,2х3,9Масса машины, кг | Machine weight, kg210002180023700Шины | Tires750/55В26.5Источник: собственные вычисления авторовSource: own calculations   Рисунок 5. Сравнение коэффициента запаса тормозных механизмов разрабатываемого форвардера с аналогами (спуск 50%)Figure 5. Comparison of the reserve coefficient of the brake mechanisms of development forwarder with analogues (descent 50%)Источник: собственная композиция авторовSource: author’s composition Рисунок 6. Сравнение коэффициента запаса тормозных механизмов разрабатываемого форвардера с аналогами (подъем 50%)Figure 6. Comparison of the reserve coefficient of the brake mechanisms of development forwarder with analogues (rise 50%)Источник: собственная композиция авторовSource: author’s composition