автореферат диссертации по технологии, машинам и оборудованию лесозаготовок, лесного хозяйства, деревопереработки и химической переработки биомассы дерева, 05.21.01, диссертация на тему:Исследование воздействия лесозаготовительной техники на укрепленный порубочными остатками участок трелевочного волока

на правах рукописи

ПЕЛЫМСКИЙ Александр Александрович

ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ ЛЕСОЗАГОТОВИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ НА УКРЕПЛЕННЫЙ ПОРУБОЧНЫМИ ОСТАТКАМИ УЧАСТОК ТРЕЛЕВОЧНОГО ВОЛОКА

05.21.01 - «Технология и машины лесозаготовок и лесного хозяйства»

автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

21 НО Я 2013

Санкт-Петербург 2013 год

005539305

005539305

на правах рукописи

ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ ЛЕСОЗАГОТОВИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ НА УКРЕПЛЕННЫЙ ПОРУБОЧНЫМИ ОСТАТКАМИ УЧАСТОК ТРЕЛЕВОЧНОГО ВОЛОКА

05.21.01 - «Технология и машины лесозаготовок и лесного хозяйства»

автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург 2013 год

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный лесотехнический университет имени С.М. Кирова»

Научный руководитель: Никифорова Антонина Ивановна,

кандидат технических наук, доцент

Официальные оппоненты: Сушков Сергей Иванович, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой Промышленного транспорта, строительства и геодезии ФГБОУ ВПО «Воронежская государственная лесотехническая академия»

Коваленко Тарас Викторович, кандидат технических наук, доцент кафедры Сухопутного транспорта леса ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный лесотехнический университет имени С.М. Кирова»

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Братский государственный

университет», г. Братск

Защита диссертации состоится «13» декабря 2013 года в 13 часов на заседании диссертационного Совета Д.212.220.03 при Санкт-Петербургском государственном лесотехническом университете имени С.М. Кирова.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Санкт-Петербургского государственного лесотехнического университета имени С.М. Кирова

Автореферат разослан «12» ноября 2013 года.

Ученый секретарь диссертационного Совета, профессор

Бирман

Алексей Романович

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы исследований. В последние годы, как в нашей стране, так и за рубежом все большее внимание уделяется экологическому аспекту проведения лесозаготовок. Негативное влияние лесозаготовительной техники на лесной почвогрунт широко известно: переуплотнение, срез слоев почвогрунта лесосеки вызывают заметное снижение его качеств с точки зрения последующего лесовосста-новления. Проблемой минимизации ущерба лесной экосистеме со стороны техники занимались многие отечественные ученые, данной тематике посвящен большой объем научных работ, среди них необходимо особо отметить работы Г.М. Анисимова, С.М. Базарова, Ю.А. Бита, Б.М. Большакова, Ю.Ю. Герасимова, Э.Ф. Герца, В.А. Горбачевского, И.В. Григорьева, Г.А. Давыдкова, A.B. Жукова, Д.В. Клокова, В.М. Котикова, А.Н. Кочанова, А.М. Кочнева, В.Н. Меньшикова, А.И. Никифоровой, П.Б. Рябухина, В.И. Скрыпника, B.C. Сюнева, М.В. Цыгаровой, А.М. Цыпука, А.Ю. Шарова, Д.И. Шеховцева и других ученых.

Несмотря на значительный объем проведенных исследований, в силу сложности и многогранности обозначенной проблемы, дальнейшие исследования в этой области по-прежнему являются востребованными.

Одним из способов решения задачи снижения экологического ущерба лесу при осуществлении заготовки древесины, вызванного движением лесозаготовительной техники, является укрепление трелевочных волоков лесосечными отходами. Этот способ представляется тем более целесообразным в свете необходимости утилизации отходов лесозаготовительного производства, что также является одной из важнейших практических задач отрасли, о чем свидетельствует значительный объем научных работ, посвященных данной тематике. Здесь необходимо отметить работы М.И. Брика, С.Б. Васильева, С.И. Головкова, А.К. Горюнова, A.A. Иванчикова, Л.И. Качелкина, И.Ф. Коперина, В.В. Коробова, JI.B. Коротяева, Г.М. Михайлова, В.И. Найденова, В.И. Патякина, Е.К. Пашнина, A.B. Ростовцева, Н.П. Рушнова, H.A. Серова, B.C. Суханова, И.Р. Шегельмана и многих других ученых.

Научно обоснованное планирование организационно-технических мероприятий по укреплению трелевочных волоков лесосек невозможно без описания процесса взаимодействия лесозаготовительных машин с лесным почвогрунтом. Как показал анализ литературных источников по теме диссертации, не разработаны математические модели, в явном виде учитывающие неоднородность основания, по которому движется машина, что имеет место при работе на укрепленном участке волока. Кроме того, при разработке лесосек в сложных почвенно-грунтовых условиях (при низкой несущей способности почвогрунта) развитие деформаций основания под внешним воздействием нелинейно зависит от вызывающих их напряжений и времени воздействия со стороны движителя; исследований, проведенных в этой области, также не достаточно.

Указанное выше определяет актуальность выбранной темы диссертационных исследований.

Степень разработанности темы исследования. Диссертация представляет собой законченное научное исследование, включающее исследование состояния вопроса, формулирование цели и задач, аналитическую часть с составлением математической модели, экспериментальные исследования процесса деформирования двуслойного основания, практические рекомендации по организации мероприятий с целью снижения отрицательного воздействия на окружающую среду со стороны лесозаготовительной техники.

Методика и методы исследования. Теоретической основой исследования явились работы ведущих отечественных и зарубежных ученых по вопросам взаимодействия техники с основанием при проведении лесозаготовительных работ. В работе использованы базовые методы математического моделирования, измерения и обработки опытных данных.

Цель работы. Уменьшение экологического ущерба от воздействия лесозаготовительной техники на почвогрунт лесосеки при разработке лесосек в сложных почвенно-грунтовых условиях.

В соответствии с целью работы сформулированы следующие задачи исследований:

• построить теоретическую модель, позволяющую определить осадку укрепленного слоем измельченных порубочных остатков фунта лесосеки с низкой несущей способностью с учетом многократного прохождения техникой участка трассы;

• разработать методику определения осадки двуслойного основания при работе системы лесозаготовительных машин с различным удельным давлением на грунт лесосеки и скоростью движения;

• разработать методику проведения экспериментальных исследований и сконструировать стенд для определения осадки двуслойного основания при многократном приложении нагрузки;

• провести экспериментальные исследования по изучению характера развития деформаций сжатия лесного почвогрунта во времени в зависимости от его влажности и температуры;

• провести экспериментальные исследования по определению осадки слоя лесного почвогрунта с низкой несущей способностью с учетом влияния укрепляющего слоя при циклическом нагружении;

• получить сведения об адекватности разработанных теоретических и экспериментальных моделей.

Научная новизна. Разработана и исследована математическая модель взаимодействия движителей лесозаготовительной техники с основанием, представленным почвогрунтом лесосеки с низкой несущей способностью и слоем уложенных на него порубочных остатков, устанавливающая влияние давления со стороны движителя на

глубину колеи, образующейся при многократном прохождении машиной укрепленного участка трассы, влияние величины средней толщины слоя порубочных остатков, отличающаяся учетом нелинейного характера деформирования почвогрунта при циклическом воздействии на него движителя лесозаготовительной машины.

Практическая значимость результатов диссертационного исследования. Применение результатов диссертационного исследования позволит рационально планировать организационно-технические мероприятия по укреплению трелевочных волоков слоем порубочных остатков, что снизит экологический ущерб лесной экосистеме, вызванный движением лесозаготовительной техники.

Значимость результатов диссертационного исследования для теории. Построенная нелинейная математическая модель взаимодействия лесозаготовительной машины с основанием, представленным двумя слоями, расширяет теоретические представления о процессе деформирования лесных почвогрунтов под действием движителей лесозаготовительной техники.

Разработанные автором в ходе исследований стенды для проведения экспериментальных исследований позволят в будущем расширить спектр проводимых экспериментов по изучению взаимодействия различной лесозаготовительной техники с лесными почвогрунтами.

На защиту выносятся следующие положения:

- Математическая модель процесса колееобразования при многократном прохождении лесозаготовительной машиной участка трассы с почвогрунтом с низкой несущей способностью, укрепленным слоем порубочных остатков;

- результаты экспериментальных исследований, устанавливающие развитие деформаций лесного почвогрунта во времени с учетом температуры и влажности почвогрунта;

- результаты экспериментальных исследований по определению осадки двуслойного основания, представленного слоем порубочных остатков и слоем почвогрунта лесосеки с низкой несущей способностью, при циклическом на-гружении;

- методика определения приведенного давления на основание при работе системы лесозаготовительных машин с различными давлениями на грунт и скоростью движения.

Степень достоверности и апробация результатов обеспечивается применением методов математической статистики; проведением экспериментальных исследований в лабораторных условиях и подтвержденной адекватностью полученных моделей; удовлетворительной сходимостью теоретических и экспериментальных данных.

Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на: Девятой международной научно-практической Интернет-конференции «Леса России в XXI веке» и ежегодных научно-технических конференциях СПбГЛТУ в 2011-2013 гг.

Часть материалов работы получена при выполнении НИР № 01201255482 «Разработка теоретических основ сквозных технологических процессов и модульных систем машин лесозаготовительного производства». Работа выполнялась в створе Перечня Приоритетных направлений развития науки, технологий и техники РФ, утвержденного Президентом РФ 07.07.11 г. (пункт «Рациональное природопользование»).

Во введении сформулирована актуальность темы диссертации и приведена общая характеристика работы.

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

Рассмотрены математические модели циклического уплотнения почвогрунта, модели деформирования двуслойного основания.

Рассмотрены способы снижения экологического ущерба лесной экосистеме, возникающего при проведении лесозаготовительных работ.

Проанализировано влияние времени релаксации напряжений почвогрунта на характер развития его деформаций сжатия.

Проведен анализ путей использования отходов лесозаготовок.

Для построения модели использован закон распределения вертикальных напряжений сжатия а(г) по глубине в следующем виде:

где г — расстояние, отсчитываемое вниз по вертикали от поверхности движения, параметры У, а, Б' определяются выражениями:

где /г— площадь штампа, Ь — ширина штампа, / - длина штампа, Я - толщина деформируемого слоя, р — давление со стороны машины на грунт.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

2. МОДЕЛЬ ЦИКЛИЧЕСКОГО УПЛОТЕНИЯ ДВУСЛОЙНОГО ОСНОВАНИЯ

сг(г)=р

(1)

(2)

К=Р~

апЛа 1 - агЗДз I . \аП) ХаО').

(4)

В общем виде осадка слоя грунта Л^ высотой г2 - г! (г - вертикальная координата сечения, рисунок 1) от действия нормального давления о(г) находится из уравнения:

(3)

Ч Е

где Е— модуль деформации основания.

Тогда, после подстановки (1) в (3) и интегрирования, для осадки запишем: ШУ Е

Предложенная модель учитывает, что по мере приближения действующих сжимающих напряжений к несущей способности грунта р%, вертикальное перемещение штампа-деформатора начинает интенсивно возрастать (происходит потеря несущей способности), поэтому для определения величины истинной деформации К использована следующая формула:

(5)

Р-Р,

При этом несущая способность основания определяется так:

1 г тг(г2 - г,) Р, = ~Р,У ап^ 2 (6)

4 2 о

где рво находится из формулы:

р10=^Х,+У1Х2 + Х^г (7)

Значения параметров У2 для выражения (7) определяются так:

1 1 + 0,46 2 / + 0,5Ь к '

Для расчета параметров Х\, Хг, Х± используют следующие формулы:

Ш5 ' 2 Ш' ' 3 Ш1' \4

где у — объемный вес грунта, С0 — внутреннее сцепление грунта, <р0 — угол внутреннего трения грунта.

Поскольку рассматривается двуслойное основание (схема на рисунке 1), в выражении (2) примем Н= Н\+ Н2:

(«О

где Ни Н2 — толщина соответственно первого (верхнего) и второго слоев основания.

0

/ ~~ \ *""* ; ■ ; 'V >? ■- ::::;; ^^:;

н2

■'■Л

г

Рисунок 1. Схема к определению осадки двуслойного основания: 1 - слой порубочных остатков, 2 - слой грунта лесосеки

В выражении (4) для пределов интегрирования нужно положить для первого

слоя 2! = 0,22 = Я, - Агя1; для второго слоя г, = Я, - Игл, и =#2 - Агл2.

Тогда для линейной деформации первого слоя основания /ггл1 можем записать:

./а£>' (Н,- А„ А,, = р-^-агЫ

£, «С

Для линейной деформации второго слоя /ггл2 также получим:

МО'

агс^Г^А

V а£>'

• агед

Я, - к

Л аЛ'

Выражения для определения несущей способности слоев примут вид: для первого слоя:

(11) (12)

(13)

(14)

Учтем также, что величина рл в уравнениях (13), (14) для слоев грунта определяется так:

1 , я{Н.-к.) Р., = ТА«* агс1ё 4 '

4 2.0

- для второго слоя:

1 2 , я^Я, - Я2 + А. - А, ) А2 = --^

- для первого слоя:

- для второго слоя:

А01 _ + + Р102 = + + ХЪ(1)Кг

(15)

Параметры Хи1), А"2(1 >, Хщ), ХН2), Х2(2), Хц2) определяются по формулам (9) после подстановки значений физико-механических характеристик слоев основания (нижний индекс в скобках соответствует номеру слоя).

Выразим /ггл через Иг из (5) отдельно для каждого слоя:

А =Л ££ьА =л ЛРЙ

Р,\

В итоге получим следующие уравнения:

, Р-Р.1 ЗаО' пг,-- = р-агс1ап

Рл Е<

Ц\~К

Р-Рл р. 1

Ра Ег

(

агй£

Н, - И

Р-Рп Р, 2

а£>'

- ЭГС^

Я,-А

Р г1

аП

(17)

(18)

(19)

К=К+К (20)

Трансцендентные уравнения (18), (19) содержит искомые величины /ггЬ 1гг2 как в левой, так и в правой своей части, поэтому для вычислений составлена программа, реализующая численный метод решения.

При многократном проходе лесозаготовительной техники по одному и тому же участку волока необходимо учесть изменение физико-механических свойств основания в результате предыдущего прохода машины. В предложенной модели модуль деформации Е, внутреннее сцепление С0 и угол внутреннего трения (р„ грунта определяются в зависимости от коэффициента пористости грунта е. Алгоритм расчетов при реализации модели следующий:

- задаемся типом грунта, его механическими свойствами (плотностью, пористостью, влажностью, влажностью на границе пластичности и раскатывания, толщиной деформируемого слоя), определяем значение модуля деформации, угла внутреннего трения и величину внутреннего сцепления;

- задаемся свойствами слоя порубочных остатков, укладываемых на волок (толщиной слоя, углом внутреннего трения, сцеплением и модулем деформации);

- принимаем удельное давление на грунт, параметры деформатора - ширину и длину, площадь контакта.

- по формулам (8), (10), (2), (13) - (16), (9) рассчитываем величины, входящие в уравнения (18) - (19).

- далее производится численное решение уравнений (18) - (20), и с использованием найденных значений йг1, к,2, Иг вычисляется относительная деформация второго слоя основания (грунта) после первого прохода машины;

- определяются значения физико-механических параметров слоя грунта после первого прохода машины, при этом относительная деформация определяется с использованием рассчитанной величины кг\, полученные таким образом значения модуля деформации, угла внутреннего трения и внутреннего сцепления грунта используются при определении деформации слоя грунта после следующего прохода машины;

- свойства слоя порубочных остатков считаем постоянными, изменяется только его толщина (уменьшается после каждого прохода на величину /гг1);

Для всех последующих проходов ход расчетов аналогичен описанному. При проведении расчетов использовались следующие исходные данные:

- 0,04 м2, Ь = 0,08 м, / = 0,5 м, Я, = 0,2 - 0,4 м, Н2 = 0,75 м, р2(0) = 1200 кг/м3, Щ. = 50 %, 1Ур = 20 %, Ш= 40 %, £, = 6000 кПа, <рю = 28°, С10 = 0,р = 100 - 250 кПа, грунт - суглинок;

Расчеты произведены при числе проходов N по трассе равном 25, основание которой представлено двумя слоями, в диапазоне давлений на фунт от 100 до 250 кПа, результаты расчетов (глубина колеи, равная истинной деформации второго слоя основания Кг) представлены на графиках на рисунке 2.

1 б 11 дг 16 21

При использовании предложенного подхода в явном виде учтено: - влияние на колееобразование толщины слоя уложенных на волок измельченных порубочных остатков;

и

- влияние на глубину колеи изменения физико-механических свойств грунта после прохода машины.

Это, в свою очередь, позволит рассчитать достаточное для надежного укрепления волока количество укладываемых на него порубочных остатков.

По результатам аппроксимации расчетных данных, полученных по изложенному выше алгоритму, также составлено уравнение для определения относительного уплотнения слоя грунта в зависимости от давления со стороны движителя и числа проходов: _

р = -0,490-0,0191Р + 0,000214Рг + {21)

(0,350 + 0,00476Р - 0,0000428Рг) • 1п(ЛГ + 78,4 - 0,411Р) В случае, если работает пара машин, в которой удельное давление со стороны движителей различно, при расчетах в формуле (21) вместо Р рекомендуем использовать значение Рщ,и„ рассчитываемое так:

7>лр„=0,725^+0,307/'2, (22)

где Р, - большее по величине удельное давление; Р2 - меньшее по величине давление.

Формула (21) получена путем аппроксимации расчетных значений относительного уплотнения при последовательном варьировании удельного давления за один проход машины.

3. МЕТОДИКА И АППАРАТУРА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

Экспериментальные исследования проводились в научной лаборатории кафедры Технологии лесозаготовительных производств СПбГЛТУ. По цели проведения экспериментальные исследования можно разделить на две части:

- исследование закономерности развития деформаций сжатия лесного грунта во времени при постоянной нагрузке;

- исследование осадки штампа при взаимодействии с двуслойным основанием при циклическом характере нагружения.

Для проведения опытов по исследованию влияния температуры почвогрунта и его влажности на характер развития деформаций сжатия грунта во времени использован лабораторный стенд, схема которого представлен на рисунке 3.

■

Рисунок 4. Лабораторный стенд для исследования осадки двуслойного основания при циклическом нагружении: 1 - рычаг; 2 - навеска; 3 - груз; 4 - штамп; 5 - верхний слой (щепа); 6 -слой грунта; 7 - линейки; 8 - металлическая пластина; 9 - емкость с грунтом

Рисунок. 3. Схема экспериментального стенда по исследованию развития деформаций лесного фунта во времени: 1 - индикатор; 2 - рычаг; 3 - подвеска; 4 - штамп; 5 - цилиндрическая форма с образцом грунта; 6 - столик; 7 - микрометр

При проведении экспериментов по определению характера развития деформаций сжатия лесного грунта во времени при действии постоянной нагрузки в качестве контролируемых независимых параметров были приняты:

- тип грунта (суглинок);

- влажность грунта на границе текучести и раскатывания (определялись как среднее значение соответствующих характеристик трех проб экспериментального фунта, в опытах равнялись соответственно Щ = 50 %, = 20 %);

- масса и начальная плотность экспериментального грунта (масса определялась на электронных весах и составляла в среднем 100 г, плотность грунта достигалась при помощи стандартного прибора уплотнения грунта, среднее значение плотности в опытах - 1150 кг/м3);

- геометрические параметры цилиндрической формы 5 - внутренний диаметр ¿/ану1Т) = 50 мм;

- вес эталонного грузар, создающего давление на образец грунта (р = 20 Н).

Основные уровни и интервалы варьирования переменных факторов в ходе исследований представлены в таблице 1.

Таблица 1. Основные уровни и интервалы варьирования факторов при исследовании _развития деформаций сжатия лесного грунта во времени__

Фактор Обозначение ] ^ 1 J Единица измерения Значение при соответствующем уровне варьирования Интервал изменения, Д

-1 0 1

Влажность экспериментального фунта ЦТ % 30 45 60 15

Температура экспериментального Фунта т °С 5 15 25 10

Число повторений каждого опыта равнялось пяти (п = 5).

Выходным параметром время релаксации /р напряжений в грунте, которое определялось косвенным путем способом, изложенным ниже.

Суть экспериментов заключалась в следующем. Экспериментальный грунт заданной массы т уплотнялся в цилиндрической форме 5, после чего форма с фунтом размещалась на столике 6. Штамп 4 опускался на образец фунта, включалась видеокамера (на рисунке 3 условно не показана), затем на подвеске 3 размещался фуз. Показания микрометра фиксировались в течение 40 с, значение показаний микрометра в это время принимались за максимальные.

После расшифровки результатов видеосъемки рассчитывалось отношение показаний микрометра в определенный момент времени Дй(<) к максимальному значению Дй^ для каждого опыта.

По полученным данным при помощи метода наименьших квадратов строились корреляционные уравнения вида:

^>=[1 + ехР(-а/)] (23)

Дл

тах

откуда затем определялось время релаксации /р, являвшееся выходным параметром, в каждом опыте по формуле:

',=— (24)

Далее производилась статистическая обработка рассчитанных таким образом значений времени релаксации напряжений /р и по его средним значениям Г методом

наименьших квадратов строились рефессионные зависимости в следующем виде:

/ =аа+а11Г + а1Т + а,ИТ + а,ТУ2+а5Т1 (25)

где ao - as - некоторые постоянные численные коэффициенты.

Схема лабораторного стенда, использованного при осуществлении экспериментов по вдавливанию штампа в двуслойное основание, представлена на рисунке 4.

Создание экспериментальной модели осуществлялось исходя из геометрического подобия следующим образом. Площадь штампа 4 составляла F3Kcn = 0,08 м2. Соотношение сторон ИЬ = 6,25. Для перехода от толщин слоев основания и прочих линейных размеров для модели к линейным размерам по главе 2 настоящей работы, их, таким образом, необходимо умножить на коэффициент (обратный перевод осуществляется делением на коэффициент):

~ . [W ,7,й

1Ш ' (26)

Размеры штампа 4 при этом: ¿>эксп = ¿/2,236 = 0,08/2,236 = 0,0358 м = 36 мм: /эксп = //2,236 = 0,5/2,236 = 0,2237 м = 224 мм.

При проведении экспериментальных исследований по определению осадки штампа при уплотнении двуслойного основания контролируемыми независимыми параметрами являлись:

- тип грунта (суглинок);

- влажность экспериментального грунта (определялась как среднее значение влажности трех проб грунта по методике, W= 40 %);

- влажность грунта на границе текучести и раскатывания (определялись как среднее значение соответствующих характеристик трех проб экспериментального грунта по методике, в опытах равнялись соответственно WT = 50 %, fVL = 20 %);

- механические характеристики грунта - модуль деформации, угол внутреннего трения и внутренне сцепление (начальные значения в лабораторных опытах составляли 4000 кПа, 12°, 7000 Па соответственно).

- начальная толщина слоя грунта (в опытах составляла 335 мм, контролировалась при помощи линеек 7).

- масса и начальная плотность экспериментального грунта (среднее значение плотности- 1150 кг/м3);

- температура экспериментального грунта (20 °С);

- геометрические параметры штампа (ширина Ьжт = 36 мм, длина / = 224 мм);

Переменные факторы представлены в таблице 2.

Таблица 2

_Основные уровни и интервалы варьирования переменных факторов

Фактор

м

Значение при соответствующем уровне варьирования

Я Ш

Давление на основание со стороны штампа

кПа

100

175

250

75

Начальная высота верхнего слоя основания

89

134

179

45

Число циклов нагружения

N

12

Суть экспериментов заключалась в следующем. Экспериментальный грунт 6 требуемой массы размещался в емкости 9, далее на поверхность грунта укладывалась металлическая пластина 8. Поверх пластины укладывался до требуемой высоты слой древесной щепы 5, после чего штамп 4 опускался на слой щепы. При помощи линеек 7 проверялась начальная высота слоя грунта.

После этого на навеске 2 размещался эталонный груз 3 с заданным весом, усилие через рычаг 1 передавалось на штамп 4 и вызывало сжатие слоев основания. Через 5 с (время контролировалось секундомером) груз снимался с навески и определялось изменение толщины деформируемого слоя грунта Л^сп)- Далее нагрузка прикладывалась вновь и измерялось значение осадки после повторного на-

гружения. Последующие шаги аналогичны.

Выходным параметром являлось изменение толщины слоя грунта 6 (осадка) Ай(экп), определяемое по перемещению металлической пластины 8, которое измерялось по линейкам 7.

В ходе обработки опытов определялось среднее по пяти повторениям значение исследуемой величины Ил после каждого приложения нагрузки, далее по средним значениям осадки с использованием метода наименьших квадратов строились регрессионные зависимости в следующем виде:

К^ = /(Р^М^Ук + о,1п(*)] (27)

где/.

АРщ.'Н^а. + +а + а4Я ,1« + (28>

где а0~а-]-некоторые постоянные численные коэффициенты.

4. РЕЗУЛЬТАТЫ ТЕОРЕТИЧЕСКИХ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

Статистическая обработка результатов позволила получить уравнение для времени релаксации напряжений лесного фунта в зависимости от влажности и температуры:

1р = 2,76 + 0,03 \Ш - 0,145Г - 0,000747»Т + 0,000279IV2 + 0,003387*г (29)

На рисунке 5 представлены фафики, показывающие влияние влажности и температуры лесного фунта на время релаксации напряжений, а также отношение текущей деформации к максимальному значению, принятому за единицу, в зависимости от влажности грунта при различных температурах.

Рисунок 5: а) - время релаксации лесного грунта; б) - развитие деформаций во времени при температуре грунта 5 С; в) - развитие деформаций во времени при температуре грунта 15 °С; г) - развитие деформаций во времени при температуре грунта 25 °С Проанализировав фафики на рисунке 5, можно сделать вывод, что при снижении температуры грунта и увеличении его влажности деформации сжатия развиваются медленнее. Например, при температуре фунта 25°С по данным опытов до 80%

деформации сжатия приходится на первые 3 с действия нагрузки, а при 5°С деформации достигнут той же величины за 5 с.

По результатам обработки данных, полученных в ходе исследований циклического нагружения двуслойного основания, получены уравнения регрессии в следующем виде:

кгг = (0,0528 - 0,0463/г + 0,000292Р - 0.00466РЯ + 0,139Я2 XI46 + 70,41пЫ) (30) Данные теоретических расчетов, касающиеся осадки нижнего слоя основания, при увеличении числа циклов нагружения оказываются в среднем несколько завышенным по сравнению с результатами экспериментов. Тем не менее, сходимость данных теоретических и экспериментальных исследований удовлетворительная: коэффициент корреляции данных расчета с данными опытов Л составляет 0,94.

С помощью формулы (26) возможен пересчет результатов, полученных при проведении экспериментальных исследований на модели с учетом подобия геометрических размеров. Тогда уравнение (30) примет следующий вид: й„ = 2,2б(0,0528 - 0,0463й + 0,000292/* - 0,00466ЯЯ + 0,1 Ъ9Нг\\Ав + 70,41п /V) (31) Уравнение (31) проиллюстрировано в виде графиков на рисунке 6.

^ Р.кПа б) АкПа

Р, кПа

250

N 1 3 5 7 9 И 13 15 17 19 21 23 25 Рисунок 6. Осадка слоя грунта в зависимости от давления на грунт и числа проходов машины по формуле (31):

а) толщина слоя порубочных остатков 0,2 м

б) толщина слоя порубочных остатков 0,3 м

в) толщина слоя порубочных остатков 0,4 м

(1 - 0 - 5 см; 2 - 5 - 10 см; 3 - 10 - 15 см; 4 - 15 -20 см; 5-20-25 см)

200 150

Сравнив результаты теоретических исследований и результатов опыта на экспериментальной модели, уравнение (31), приходим к выводу об удовлетворительной сходимости результатов теоретических исследований. Коэффициент корреляции теоретических и экспериментальных данных Я2 здесь составляет 0,93.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ

Проведенные исследования позволили сделать следующие выводы:

1. По результатам расчетов получено корреляционное уравнение вида (21), позволяющее на практике определить относительное уплотнение грунта (и далее, глубину образующейся при проходе лесозаготовительной машины колеи), не прибегая при этом к сложным вычислениям. Полученное уравнение учитывает влияние средней толщины слоя порубочных остатков на деформации, развивающиеся в грунте, а также число проходов машины по участку трассы.

2. При работе на лесосеке системы машин, давление которых на грунт различно, рекомендуется при расчетах использовать значение приведенного давления' определяемого по зависимости (22).

3. По результатам обработки данных экспериментальных исследований по изучению осадки двуслойного основания при циклическом приложении нагрузки получена регрессионная модель в виде уравнения (27).

4. Сопоставление результатов расчетов, выполненных с помощью составленной программы для численного решения уравнений (18) - (20), с результатами экспериментальных исследований, представленными в виде формулы (31), доказывает пригодность составленной методики расчета по определению глубины колеи, образующейся при многократном прохождении машиной участка трассы, укрепленного измельченными лесосечными отходами.

5. Время релаксации напряжений в лесном почвогрунте зависит от температуры и влажности грунта. Полученная по результатам обработки регрессионная модель имеет вид уравнения (29). Модель адекватна полученным экспериментальным данным, что подтверждено методами статистики.

6. При снижении температуры грунта и увеличении его влажности деформации сжатия развиваются медленнее. Например, при температуре грунта 25°С по данным опытов до 80% деформации сжатия приходится на первые 3 с действия нагрузки, а при 5°С деформации достигнут той же величины за 5 с (рисунок 5).

7. Разработанные стенды для проведения экспериментальных исследований позволяют получать удовлетворительные данные, поскольку результаты опытов по определению времени релаксации напряжений лесного грунта, а также исследований осадки двуслойного основания при циклическом нагружении были воспроизводимы.

8. Перспективой дальнейших исследований должно явиться изучение вопросов определения объема образующихся на лесосеке отходов, с целью составления методики прогнозирования объема работ по укреплению трасс движения лесозаготовительной техники. Также представляются востребованными в будущем более детальные исследования по изучению влияния способа укладки лесосечных отходов на волок на укрепляющую возможность сформированного из них слоя.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1. Григорьев И.В., Никифорова А.И., Пелымский A.A., Хитров Е.Г., Хахина А.М. Экспериментальное определение времени релаксации напряжений лесного грунта // Ученые записки Петрозаводского государственного университета. - Петрозаводск, 2013, № 3, С. 74-82.

2. А.Н. Минаев, А.И. Никифорова, A.A. Пелымский, Д.С. Киселев, В.А. Андронов, В.Н. Язов. Математическая модель процесса образования колеи под воздействием колесных лесных машин. Известия ВУЗов. Лесной журнал. №5,2013, С. 117-125.

3. Пелымский А. А., Хитров Е.Г., Фролов И.С., Никифорова А.И. Определение влияния влажности и температуры на развитие деформации сжатия лесного почво-грунта // Технология и оборудование лесопромышленного комплекса. -СПб, 2013, № 6, С.142-147.

Просим принять участие в работе диссертационного Совета Д.212.220.03 или прислать Ваш отзыв на автореферат в двух экземплярах с заверенными подписями по адресу: 194021, Россия, г. Санкт-Петербург, Институтский пер., д. 5 с пометкой «вученый Совет».

ПЕЛЫМСКИЙ АЛЕКСАНДР АЛЕКСАНДРОВИЧ АВТОРЕФЕРАТ

Подписано в печать с оригинал-макета 12.11.13. Формат 60x84/16. Бумага офсетная. Печать трафаретная. Уч.-изд. л. 1,0. Печ. л. 1,25. Тираж 100 экз. Заказ № 276. С 19 а.

Санкт-Петербургский государственный лесотехнический университет Издательско-полиграфический отдел СПбГЛТУ 194021, Санкт-Петербург, Институтский пер., 5.