автореферат диссертации по технологии, машинам и оборудованию лесозаготовок, лесного хозяйства, деревопереработки и химической переработки биомассы дерева, 05.21.01, диссертация на тему:Деформация лесных почв при многократных проходах гусеничного трелевочного трактора

Введение

Глава 1. Состояние вопроса, цель и задачи исследования.

1.1. Условия эксплуатации и анализ структуры парка лесосечных машин.

1.2. Краткий обзор исследований воздействия лесных машин на почву.

1.3. Особенности взаимодействия лесных машин с почво-грунтами.

1.3.1. Классификация лесных почво-грунтов.

1.3.2. Обзор исследований деформируемых свойств почво-грунтов.

1.3.3. Распределение напряжения в грунтовом массиве от действия неравномерной нагрузки.

1.4. Выводы по главе 1.

1.5. Общая характеристика работы.

Глава 2. Физическая и математическая модели деформации почв трелевочными тракторами.

2.1. Исследование закономерности изменения начальной плотности почво-грунта по глубине.

2.2. Предельная деформация уплотнения.

2.3. Анализ напряженно-деформированного состояния грунтов.

2.4. Выводы по главе 2.

Глава 3.

Исследование взаимодействия лесных почв с гусеницами трелевочного трактора.

3.1. Факторы, определяющие глубину колеи.

3.2. Особенности деформации грунта гусеничными трелевочными тракторами.

3.2.1. Анализ распределения нормального давления в пятне контакта.

3.3. Теоретический анализ особенностей взаимодействия гусениц трелевочного трактора с грунтом.

3.4. Внешние сопротивления в процессе образования колеи.

3.4.1. Сопротивление движению лобовым участком гусеницы.

3.4.2. Сопротивление движению опорной поверхностью.

3.5. Выводы по главе 3.

Глава 4. Исследование процесса образования колеи при многократных проходах гусеничного трелевочного трактора.

4.1. Физическая и математическая модели распространения нормальных давлений и касательных усилий по поверхности контакта.

4.2. Влияние касательных нагрузок на колееобразование.

4.2.1. Зоны сцепления, скольжения и их границы.

4.3. Уплотнение грунта при многократных проходах гусенич-, ного трелевочного трактора.

4.4. Выводы по главе 4.

Глава 5. Экспериментальные исследования влияния кратности проходов гусеничного движителя на глубину колеи.

5.1. Цель экспериментальных исследований.

5.2. Методика экспериментального исследования.

5.2.1. Объект исследования и экспериментальная установка.

5.2.2. Замеряемые параметры и способы их регистрации.

5.3. Результаты испытаний и статистическая обработка.

5.4. Выводы по главе 5.

Новый Лесной кодекс Российской Федерации требует обеспечить рациональное и неистощимое использование лесосырьевых ресурсов на основе научно обоснованного, многоцелевого устойчивого лесоиспользо-вания в условиях рыночной экономики. Повышение эффективности лесопромышленного производства в настоящее время не может рассматриваться в отрыве от сложившейся в стране экономической ситуации и все возрастающих требований к охране окружающей среды. Экологический фактор стал одним из основополагающих принципов хозяйственной и производственной деятельности в лесу. При разработке новых технологий и создании высокопроизводительных машин ученые и специалисты лесной отрасли исходят не только из принципа экономической целесообразности, но и из условия максимального удовлетворения требований экологической безопасности, сохранения окружающей среды, повышения продуктивности лесов.

Требование повышения эффективности лесопромышленного производства привело к появлению в нашей стране и за рубежом энергонасыщенной техники, обладающей большой массой, которая при определенных условиях может вызывать изменение состояния лесных почв и отрицательно влияет на лесовозобновление. Известен опыт стран Европы, в частности Германии, который заключается в искусственном выращивании на одних и тех же площадях одной породы леса (монокультуры). До середины 90-х годов искусственные способы лесовозобновления занимали порядка 90 %. Однако, в последнее время наметилась существенная деградация искусственного выращивания лесов Европы. Именно эта тенденция заставила ученых и специалистов Запада пересмотреть способы лесовозобновления, отдавая предпочтение естественным способам. Теперь лесоводы Европы ставят задачу в ближайшие годы довести до 90 % естественного возобновления лесных насаждений. В России на огромных площадях немыелимо использовать монокультуры, как основной способ лесовозобновления, поэтому как ранее, так и теперь преобладающим является естественное возобновление леса.

В зависимости от свойств почвы, а также от кратности проходов, которые зависят от технологии, массы и тяговых усилий развиваемых лесосечными тракторами глубина распространения деформации в массиве достигает 0,6 .1,2 м. Создается уплотненный слой, нарушается водо-воздушный режим почвы, ухудшаются ее физические свойства, разрушается структура. Все это отрицательно влияет на естественное лесовозобновление. Поэтому проблема воздействия ходовой части лесопромышленных тракторов на лесной почво-грунт актуальна. Решение этой проблемы включает в себя решение двух ее составляющих: повышение тягово-сцепных качеств тракторов и снижение их уплотняющего воздействия на почву.

Для ускорения решения этой проблемы необходимо, помимо использования результатов экспериментных исследований, создать и широко использовать научно-обоснованные уточненные расчетные методы определения показателей взаимодействия движителей лесных машин с почвой. Эти методы должны основываться на результатах теоретических и экспериментальных исследований процессов деформирования почв. Разработка, обоснование и практическое использование таких методов приобретают важное народнохозяйственное значение.

Углубленное исследование деформирования почвы в процессе ко-лееобразования при многократных проходах лесозаготовительных тракторов позволит разработать научно-обоснованные рекомендации по улучшению показателей взаимодействия гусеничных движителей с лесными почвами, что должно привести к повышению производительности, топливной экономичности, предотвращению минерализации почв.

Важное значение имеет исследование влияния скорости движения и количества повторных проходов по одной колее на тяговые свойства тракторов и уплотняющее воздействие на почву. Необходимо располагать расчетными формулами и численными методами, позволяющими определить показатели взаимодействия гусеничных движителей лесных тракторов с почвой с учетом изменяющихся во времени контактных напряжений, скорости трактора, времени воздействия нагрузок, обратимых деформаций почвы. Поэтому решение проблемы улучшения показателей работы гусеничных ходовых систем связано с уплотнением почвы тракторами, учитывающей вязкоупругие свойства почвы, проявляющиеся в зависимостях их напряженно-деформируемого состояния при их взаимодействии во времени.

В настоящем исследовании рассматриваются процессы уплотнения лесных суглинистых почв гусеничными трелевочными тракторами при образовании колеи. Рассматриваемый процесс уплотнения учитывает физическую природу деформирования почв во времени, процесс распространения в почве вязкоупругих волн деформации и напряжения. В работе предложено определить показатели уплотняющего воздействия на почву, тяговые свойства гусеничных тракторов и выбрать оптимальные их параметры на основе использования определяющих уравнений, моделирующих вязко-упругие свойства почв, и процесс распространения в почве вязкоупругих волн деформации и напряжений. Предложен подход к решению вопросов уплотнения почвы при многократном воздействии гусеничных тракторов. На основе использования полученных теоретических результатов разработан метод расчета уплотняющего воздействия на почву гусеничными тракторами. Этот метод может быть использован для прогнозирования показателей взаимодействия с почвой гусеничных тракторов, оценки влияния различных факторов на эти показатели и оптимизации параметров гусеничных ходовых систем с учетом требований к плотности почвы и других конкретных условий их эксплуатации.

Общие выводы и рекомендации

1. Теоретические и экспериментальные исследования показали приоритетное влияние кратности проходов гусеничного движителя на степень уплотнения почвы.

2. При теоретическом исследовании процесса уплотнения почвы гусеничными трелевочными тракторами получена зависимость плотности деформируемого слоя почвы от глубины. Эта зависимость описывается уравнением параболы второго порядка (1).

3. На основе комплексного подхода к проблеме последствий воздействия лесозаготовительных машин на почвы разработан алгоритм "гусеничный трелевочный трактор - лесные почвы", реализация которого позволяет: предварительно оценить степень уплотнения почв гусеничными движителями в заданных условиях эксплуатации с учетом технологии лесозаготовок и способа лесовозобновления; определить площадь минерализованной поверхности вырубки до освоения лесосеки.

4. Дифференциальный подход к процессу колееобразования позволил получить уравнение (6) максимальной глубины деформации уплотнения почвы в зависимости как от морфологических особенностях опорного массива, так и от конструктивных особенностях гусеничного движителя.

5. На основе комплексного подхода к проблеме уплотнения почвы гусеничными трелевочными тракторами получена зависимость (15), позволяющая предварительно оценить степень уплотнения почвы гусеничным движителем при многократных проходах по своему следу.

6. Экспериментально установлено, что интенсивное уплотнение грунта происходит на глубине 10.20 см от поверхности колеи. Степень уплотнения грунта возрастает с увеличением кратности проходов гусеничного движителя.

7. При рубках главного пользования в летний период в лесах, где нет подроста соответствующего по количеству и составу, целесообразно приме

138 нять технологию рубок, при которых лесозаготовительная техника полностью минерализует поверхность, создавая взрыхленное состояние почв, наиболее благоприятное для лесовозобновления.

1. Аболь П. И. Рубки и лесовосстановление: аспекты и проблемы. // Лесная промышленность, 1988. № 9. 17 с.

2. Аболь П. И., Ворожитнин В. Р. Лесозаготовки через призму экологии. // Лесная промышленность, 1990. № 9. 8 с.

3. Анисимов Г. М. Эксплуатационная эффективность трелевочных трак-торов.-М.: Лесная промышленность, 1990. 208 с.

4. Анисимов Г. М. Об управлении экологической совместимостью системы "движитель трелевочного трактора лесная почва"// Изв. высш. учеб. заведений. Лесной журнал, 1997, № 3, 27-31 с.

5. Анисимов Г. М., Котиков В. М. Лесотранспортные машины.-М.: Экология, 1995.^175 с.

6. Котиков В. М. и др. Некоторые экологические последствия машинной заготовки леса. // Технология и механизация лесопромышленного производства. Научные труды МЛТИ, 1990. вып. 226. 83 с.

7. Винокуров В. Н., Бартенев И. М. Экологизация технологий и лесной техники.// Лесное хозяйство, 1992. № 4. 57 с.

8. Беккер М. Г. Введение в теорию системы местность-машина.-М.: Машиностроение, 1973. -520 с.

9. Лесоводственные требования к технологическим процессам лесосечных работ. -М.: Федеральная служба лесного хозяйства России. 1993.

10. Исследование влияния воздействия движителей лесосечных машин на физические и химические свойства лесных почв и их биологическую активность на вырубках разных лет.// Отчет о НИР. -М.: МЛТИ, 1992.

11. Исследование влияния воздействия колесных и гусеничных машин на физико-механические и химические свойства лесных почв и их биологическую активность.// Отчет о НИР. -М.: МГУ Л, 1993. 27 с.

12. Виногоров Г. К. Лесосечные работы.-М.: Лесная промышленность, 1981.272 с.

13. Заготовка сортиментов на лесосеке. Технология и машины/ А. В. Жуков, И. К. Иевинь и др.-М.: Экология, 1993. 311 с.

14. Агейкин Я. С. Проходимость автомобилей.-М.: Машиностроение, 1981.232 с.

15. Обыденников В. И. Влияние сплошных рубок с применением современной лесозаготовительной техники на тип леса и динамику типов вырубок: Автореферат дисс. д-ра с.-х. наук.-М.,1985. 17 с.

16. Обыденников В. И.Лесоводственно-экологическая оценка агрегатной техники при сплошных рубках// Лесной журнал, 1989, № 6.

17. Побединский А. В. Влияние механизированных заготовок на лесную среду и возобновление леса// Лесное хозяйство, 1982, №11.

18. Савицкий В. Ю. Влияние лесосечных машин на почву// Лесная промышленность, 1991, № 8.

19. Ворожбянов В. В. О лесозаготовительном значении минерализации почвы// Лесная промышленность, 1991, № 7.

20. Шеховцев Д. И. Деформируемость грунта под действием лесных машин// Лесная промышленность, 1992, № 9.

21. Шеховцев Д. И., Андреев-Твердов А. И. Проходимость трелевочных гусеничных машин на грунтах с различной несущей способностью. Научные труды.-М., МЛТИ, 1991, вып. 121.

22. Побединский А. В. Лесопользование и охрана окружающей среды// Лесное хозяйство, 1981, № 8.

23. Побединский А. В. Изучение лесовосстановительных процессов. -М.: Наука, 1986.

24. Шумаков В. С., Кураев В. Н. Охрана почв при работе многооперационной лесозаготовительной техники// Сб. научных трудов.-М., ВНИИЛМ, 1983,31-35 с.

25. Слодкевич Я. В., Котиков В. М. и др. Оптимальные параметры лесопромышленного трактора// V Всесоюзная научно-техническая конфе-ренция.-М.: МЛТИ, 1989, 71 с.

26. Слодкевич Я. В., Котиков В. М. и др. Обоснование параметров гусеничных лесосечных машин// Проблемы совершенствования гусеничных ходовых систем тракторов. Тезисы научно-технической конференции-Челябинск, 1989, 53 с.

27. Слодкевич Я. В., Котиков В. М. и др. Обоснование параметров лесосечных машин// Научные труды МЛТИ, 1990, вып. 226, 83 с.

28. Сергеев С. Н. Исследование процесса трелевки леса гусеничными тракторами. Дисс. . канд. тех. наук.-Л.1981, 231 с.

29. Силуков Ю. Д. и др. Транспорт леса.-М.: Лесная промышленность, 1986, 208 с.

30. Вонг Дж. Теория наземных транспортных средств/ Пер. с англ.-М.: Машиностроение, 1982, 284 с.

31. Винокуров В. Н., Бартенев И. М. Экологизация технологий и лесной техники// Лесное хозяйство, 1992, № 4.

32. Бартенев И. М., Прядин В. И. К вопросу удельного давления гусеничных трелевочных тракторов на почву// Лесное хозяйство, 1997, № 6.

33. Кулешов А. П., Колотилин Е. В. Экологичность движителей транс-портно-технологических машин. -М.: Машиностроение, 1993, 203 с.

34. Маслов Н. Н. Основы инженерной геологии и механики грунтов: Учебник для вузов.-М.: Высш. школа, 1982, 511 с.

35. Цытович Н. А. Механика грунтов-М.: высшая школа, 1986, 318 с.

36. Меньшиков В. Н. основы технологии заготовки леса с сохранением и воспроизводством природной среды.-Л.: ЛГУ, 1987, 220 с.

37. Смирнов Г. А. Теория движения колесных машин.-М.: Машиностроение, 1990, 332 с.

38. Золотаревская Д. И., Хабатов Р. Ш. Математическая модель задачи прогнозирования оптимальной эксплуатационной массы трактора// Известия ТСХА, вып. 2.-М, 1980

39. Золотаревская Д. И. Контактные напряжения и деформации шин при качении эластичных колес// Тракторы и сельхозмашины, 1989, № 5.

40. Золотаревская Д. И. Зависимость между сжимающими напряжениями и осадкой почвы// Механизация и электрофикация сельского хозяйства, 1980, № 2.

41. Золотаревская Д. И. Исследование и расчет уплотнения почвы колесными движителями// Механизация и электрофикация сельского хозяйства, 1982, № 2.

42. Золотаревская Д. И. Взаимосвязь различных математических моделей деформирования почв// Механизация и электрофикация сельского хозяйства, 1985, № 5.

43. Хабатов Р. Ш., Золотаревская Д. И., Ходыкин В. Т. Моделирование уплотнения почвы колесными движителями// Тракторы и сельхозмашины, 1985, №5.

44. Золотаревская Д. И., Хабатов Р. Ш., Матвеев В. В., Трушин В. Г., Лядин В. П. Закономерности деформирования тракторных колес с пневматическими шинами// Известия ТСХА, 1997, вып. 3.

45. Бурыкин В. И., Золотаревская Д. И., Хабатов Р. Ш., Матвеев В. В., Трушин В. Г., Лядин В. П. Изменение вязкоупругих свщйств почвы при воздействии колесного трактора// Известия ТСХА, 1989, вып. 11.

46. Золотаревская Д. И. Математическое моделирование вязкоупругих свойств почв и его использование при решении проблемы снижения уплотняющего воздействия тракторов на землю// Доклады МСХА, 1997, вып. 268.

47. Жемочкин Б. Н. Теория упругости. М.: Госстройиздат, 1957.

48. Галин JI. А. Контактные задачи теории упругости и вязкости. -М.: Наука, 1980.

49. Ходыкин В. Т. Методика исследования влияния движителей трактора МТЗ-50 на уплотнение почвы. // Доклады ТСХА. Вып. 224. -М., 1976

50. Бондарев А. Г. Изменение физических свойств и плодородия почв Нечерноземья под воздействием ходовых систем. // Механизация и элек-трофикация сельского хозяйства 1983, № 5.

51. Пупонин А. И., Русанов В. А. и др. Деформация дерново-подзолистой почвы ходовыми системами тракторов. // Земледелие-1981, № 3.

52. Кононов А. М., Ксеневич И. П. О воздействии ходовых систем тракторных агрегатов на почву. // Тракторы и сельхозмашины. -1977, № 4.

53. Липецкий Н. П. Влияние ходовых систем тракторов на агрофизические свойства дерновоподзолистой среднесуглинистой почвы и урожайность полевых культур Дисс. . к. с.-х. наук - М.: ТСХА, 1982.

54. Ашихмин В. П. Влияние ходовых систем тракторов на уплотнение дер-новоподзолитстых суглинистых почв. Дисс. . к. с.-х. наук М.: ТСХА, 1983.

55. Кауричев И. С., Александрова Л. А. и др. Почвоведение.-М.: Колос, 1982.

56. Гоберман Л. А. Основы теории, расчета и проектирования строительных и дорожных машин.-М.: Машиностроение, 1988,464 с.

57. Гоберман Л. А., Котиков В. М., Приоров Г. Е. Динамическая модель движения трактора с учетом колееобразования// Научные труды МГУЛ, 1995, вып. 4.

58. Гугелев С. М., Савицкий В. Ю. Влияние ВТМ на лесную среду// Лесная промышленность, 1992, № 6.

59. Гуськов В.В. и др. Трактора: Теория.-М.: Машиностроение, 1988, 376 с.

60. Котиков В. М., Ерхов А. В. Обоснование расчетной схемы для исследования вертикальных колебаний системы "трактор-пакет деревьев" при трелевки в полностью погруженном положении// Научные труды МЛТИ, 1981 вып. 118.

61. Котиков В. М. и др. Динамическая модель системы "лесопромышленный трактор-грунт"// Механизация и автоматизация переместительных работ на предприятиях лесного комплекса. V Всесоюзная научно-техническая конференция. Тезисы докладов.-М.: МЛТИ, 1989, 48 с.

62. Котиков В. М., Гугелев С. М. Технологические процессы и оборудование лесопромышленного комплекса//ГКНК ВНТИЦ-М.,1989.

63. Котиков В. М., Слодкевич Я. В., Рубинштейн В. А. О взаимодействии жесткого колеса с деформируемым основанием при движении с колебаниями// Научные труды МЛТИ, 1990, вып. 226, 86 с.

64. Котиков В. М., Слодкевич Я. В. Ходовые свойства машин и экология// Лесная промышленность, 1990, № 12.

65. Котиков В. М., Слодкевич Я. В. и др. Некоторые экологические последствия машинной заготовки леса. Технология и механизация лесопромышленного производства// научные труды МГУЛ, 1993, вып. 267.

66. Сабо Е. Д., Котиков В. М., Макарова О. В. Уплотнение почвы на сплошных вырубках. "Охрана лесных экосистем и рациональное использование лесных ресурсов"// Всероссийская научно-техническая конференция. Тезисы докладов.-М.: МГУЛ, 1994, т. 1.

67. Котиков В. М., Слодкевич Я. В. и др. Структурная схема системы "лесозаготовительная машина-технология-лесные почвы"// Научные труды МГУЛ, 1993, вып. 24.

68. Котиков В. М., Слодкевич Я. В. Процесс колееобразования при многократном проходе лесозаготовительных машин// Научные труды МГУЛ, 1995, вып. 4.

69. Сабо Е. Д., Котиков В. М., Макарова О. В. Изменение микробиологической характеристики почв вырубки"// Всероссийская научно-техническая конференция. Тезисы докладов.-М.: МГУЛ, 1994, т. 1.

70. Косте Ж., Санглера Г. Механика грунтов. Практический курс. Перев. с франц.-М.: Стройиздат, 1981, 455 с.

71. Котиков В. М., Макарова О. В., Сабо Е. Д. Уплотнение и разуплотнение почвы после концентрированной рубки еловых насаждений// Лесное хозяйство, 1994, №5.

72. Быков В.В., Голубев И.Г., Игнатов В.И., Назаренко А.С., Тесовский А.Ю. Машины для технического сервиса. Справочный материал для дипломного и курсового проектирования. -М.:МГУЛ, 1999. 25 с.

73. Beekman F. Soil STRENGTH and Forest operation. Departament of Forest Technique and Forest Product. Agricultural Univerity, Wageningen, The Netherlands, 1987, PP. 3-77.

74. Boiling I. ; 1986: Beanspruchung des Bodens beim Schlepper und Maschi-nencinsatz. 308, S/ 49-71. Munster-Hiltrup.

75. J.J.H. VAN DEN AKKER. Modelcomputation of subsoil stress distribution and comparation due to fied traffic. Edinburg, 1988. Vol. 403-408.

76. Hildebrand E. E.; 1983. Dir Einfluss der Bodenverdichtung auf die Boden-funktionen im fortlichen Standart, Forstwiss, Centralblatt 102.2. S. 111-125.

77. Loeffler H. Bodenschaeder bei der Holzernte-Ursachen, Folden, Vor-beugung, -Holz-Zentrallblatt, 1986, №149, S. 2190-2192.

78. Loeffler H. Bodenschaeder bei der Holzernte Bedentung und Erfassung; Der Forst und Holzwirt., 40,1983, 14/15, S. 379-383.

79. Muller E. Ursachen und Folgen von Bodenschaeden Sowie Moglichkeiten zu ihrer Verminderung. -Landtechnik, 1984, Hf. 40, lg. 9, S.370-385.

80. Muller E., Tille P. and Krestschmer H.: Trafficability and workability of alluvial soil in response to drainage status. Soil Tillage Res. 16, PP. 273-287.

81. Данная формула является общеизвестной и общепринятой, однако в процессе работы по теме уточнены некоторые принципиальные и частные вопросы по её составляющим.

82. Фактические величины удельного давления гусеничных машин, определённые по их эксплуатационной массе, приведены в табл. 1.1.

83. Наименование машин Марка машины Мб, кг Mm, кг Мэ, кг F, м2 q, кПа1 2 3 4 5 6 71. На базе трактора ТДТ-55

84. База Трелёвочный трактор ВТМ СМ Челюстной погрузчик ТТ-4М ТТ-4М ЛП-58 ЛП-ЗЗБ ЛТ-188 12 280 м и и и 2 180 6 720 8 720 6 720 12 280 14 460 19 000 21 000 19 000 3,33 к « м 36 43 56 62 56

85. Примечание: В таблице приняты обозначения: Мб масса базового трактора (шасси без технологического оборудования); Мт - масса технологического оборудования; Мэ - эксплуатационная масса машины; F - площадь опорной поверхности, м2.

86. Среднее давление для гусеничной техники, приведённое в табл. 1.1, установлено при стандартных размерах (в см) ходовых систем базовых тракторов (табл. 1.2).