автореферат диссертации по технологии, машинам и оборудованию лесозаготовок, лесного хозяйства, деревопереработки и химической переработки биомассы дерева, 05.21.01, диссертация на тему:Оценка влияния режима работы лесных машин на уплотнение почвогрунта в боковых полосах трасс движения

ХАХИНА Анна Михайловна

ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ РЕЖИМА РАБОТЫ ЛЕСНЫХ МАШИН НА УПЛОТНЕНИЕ ПОЧВОГРУНТА В БОКОВЫХ ПОЛОСАХ ТРАСС ДВИЖЕНИЯ

05.21.01 - Технология и машины лесозаготовок и лесного хозяйства

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

21 НОЯ 2013

Петрозаводск - 2013

005539166

005539166

ХАХИНА Анна Михайловна

ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ РЕЖИМА РАБОТЫ ЛЕСНЫХ МАШИН НА УПЛОТНЕНИЕ ПОЧВОГРУНТА В БОКОВЫХ ПОЛОСАХ ТРАСС ДВИЖЕНИЯ

05.21.01 - Технология и машины лесозаготовок и лесного хозяйства

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Петрозаводск - 2013

Работа выполнена в Санкт-Петербургском государственном лесотехническом университете имени С. М. Кирова

Научный руководитель: Григорьев Игорь Владиславович

доктор технических наук, профессор

Официальные оппоненты: Шегельман Илья Романович

доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой технологии и оборудования лесного комплекса Петрозаводского государственного университета

Цыгарова Марина Валентиновна

кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры технологии и машины лесозаготовок Ухтинского государственного технического университета

Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное

образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московский государственный университет леса»

Защита диссертации состоится «20» декабря 2013 г. в 10 часов на заседании диссертационного Совета Д 212.190.03 при Петрозаводском государственном университете по адресу: 185910, Россия, Республика Карелия, г. Петрозаводск, пр. Ленина, 33.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Автореферат разослан «12» ноября 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного Роман Владимирович

совета Воронов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования. В последние годы все большее внимание ученых и практиков лесозаготовительного производства уделяется проблеме повышения эффективности систем машин и технологических процессов, применяемых при заготовке древесины и лесовосстановлении, которая оценивается большим количеством показателей, среди которых весьма важное место занимает экологическая эффективность. Важнейшую роль при ее оценке играет интегральный показатель - уплотнение почвы.

При взаимодействии движителя лесной машины с опорной поверхностью в массиве почвогрунта происходят очень сложные процессы. В проблеме взаимодействия лесных машин с почвогрунтом отсутствуют исследования влияния режима работы лесной машины на уплотнение почвогрунта в боковых полосах трассы движения.

Степень разработанности темы исследования. Диссертация представляет собой законченное научное исследование, включающее в себя изучение состояния проблемы, постановку цели и задач, теоретический анализ процесса уплотнения почвогрунта в боковых полосах трасс движения лесных машин с составлением математической модели, экспериментальное исследование этого процесса, практическую реализацию работы в виде рекомендаций по минимизации экологического ущерба от воздействия лесных машин на почвогрунты, а также новое техническое решение, направленное на повышение эффективности исследования лесосеки при ее подготовке к проведению лесосечных работ.

Целью диссертационной работы является уменьшение экологического ущерба от воздействия лесных машин на почвогрунт при разработке лесосек в различных природно-производственных условиях исходя из требований эффективного лесовосстановления.

Объект исследований. Почвогрунты боковых полос трасс движения лесных машин. .

Предмет исследования. Процесс уплотнения почвогрунтов боковых полос трасс движения под воздействием лесных машин.

Для достижения поставленной цели были сформулированы следующие основные задачи исследования:

• Разработать математическую модель уплотнения почвогрунта боковых полос трасс движения лесной машиной, позволяющую оценивать вклад режима ее работы.

• Получить данные об адекватности разработанных математических моделей.

• Разработать техническое решение для повышения эффективности изучения лесосеки при ее подготовке к проведению лесозаготовительных работ.

• Разработать рекомендации для принятия организационно-технологических решений по разработке лесосек исходя из требований минимизации экологического ущерба.

• Экспериментальным путем исследовать влияние динамики поворотов лесных машин на уплотнение почвогрунта в боковых полосах волока. Научная новизна работы. Разработанная и исследованная математическая модель воздействия лесных машин на почвогрунты боковых полос трасс движения, с учетом их физико-механических свойств, позволяющая определять условия уплотнения, углубляет теорию взаимодействия лесных машин с поверхностью движения.

Теоретическая и практическая значимость работы.

1. Разработанная математическая модель позволяет прогнозировать остаточные деформации почвогрунта в боковых полосах трассы движения лесной машины, возникающие за счет волн деформаций.

2. Уплотнение почвогрунта в боковых полосах трасс движения учтено при разработке рекомендаций к разработке лесосек исходя из требований минимизации экологического ущерба.

3. Разработанное техническое решение для моделирования условий работы лесных машин при исследовании лесосеки по номенклатуре показателей в процессе подготовки к проведению лесосечных работ позволяет повысить эффективность изучения лесосеки путем расширения номенклатуры исследуемых показателей.

Методология и методы исследования. Теоретической основой исследования явились работы ведущих отечественных и зарубежных ученых по повышению экологической эффективности лесосечных работ. В работе использованы базовые методы научно-технического познания, математического моделирования, теории удара, теории гипопластичности, измерения и обработки экспериментальных данных.

Автор в своих исследованиях опирался на фундаментальные работы видных ученых в области оптимизации технологических процессов лесосечных работ, систем машин и режимов их работы - Анисимова Г.М., Базарова С.М., Герасимова Ю.Ю., Герца Э.Ф., Григорьева И.В., Иванова В.А., Котикова В.М., Кочегарова В.Г., Кочнева A.M., Курьянова В.К., Макуева В.А., Меньшикова В.Н., Никифоровой А.И., Пошарникова Ф.В., Рябухина П.Б., Сюнева B.C., Шегельмана И.Р., Ширнина Ю.А., и др. На защиту выносятся следующие положения:

• Математическая модель уплотнения почвогрунта боковых полос трасс движения лесных машин, позволяющая оценивать уплотнение почвогрунта в зависимости от режима работы лесной машины и его свойств.

• Оценка остаточной деформации в поверхностном слое почвогрунта вне трассы движения в зависимости от расстояния до трассы, режима работы лесной машины.

• Новое техническое решение для повышения эффективности изучения лесосеки при ее подготовке к проведению лесосечных работ.

• Технологические рекомендации, повышающие экологическую эффективность работы лесных машин.

Степень достоверности и апробация результатов обеспечивается применением современных методов исследования, обоснованностью принятых допущений, обоснованностью методов расчета и моделирования, а также подтверждается экспериментальными исследованиями процесса уплотнения почвогрунта от динамики поворота лесной машины.

Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на: Девятой международной научно-практической Интернет-конференции «Леса России в XXI веке» (СПб, 2012 г.); МНТК «Актуальные проблемы развития лесного комплекса» (Вологда, 2012 г.); МНТК молодых ученых и специалистов «Современные проблемы и перспективы рационального лесопользования в условиях рынка» (СПб, 2011 г.); Республиканском научно-практическом семинаре-конференции «Инновационная система и методы использования и воспроизводства лесных ресурсов на базе новых технологий интенсивного лесопользования» (Петрозаводск, 2012 г.); Международном научно-практическом форуме «Природные ресурсы и экология Дальневосточного региона» (Хабаровск, 2012 г.); МНТК «Актуальные проблемы и перспективы развития лесопромышленного комплекса» (Кострома, 2012 г.); 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»).

Публикации. По материалам диссертации опубликованы 17 работ. Шесть статей опубликованы в журналах, рекомендованных ВАК РФ. Получены два патента на полезную модель. Результаты исследований отражены в научно-технических отчетах по НИР.

Структура и объем диссертационной работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, основных выводов и рекомендаций, списка литературы. Общий объем работы 180 страниц. Диссертационная работа содержит 47 рисунков, 26 таблиц. Список литературы содержит 151 источник.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

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

1. Состояние проблемы и задачи и исследования. В разделе рассмотрены лесные почвы и грунты, лесные машины. Показано воздействие лесных машин на почвогрунты лесосек, в частности уплотнение и колееобра-зование. Проанализировано маневрирование лесных машин, управляемость и устойчивость направления их движения, способы поворота колесных и гусеничных тракторов, влияние схем разработки лесосек на повороты лесных машин, а также маневрирование машин для лесовосстановления. Показано влияние скорости лесных машин на эффективность их эксплуатации.

Анализ НИР показал, что при любых по интенсивности воздействиях на почвогрунт при его разгрузке возникают остаточные деформации. Как следствие этого при прохождении лесных машин по волоку возбуждаемые этим движением волны деформаций в почвогрунте будут приводить к его уплотнению и вне трассы движения. Такое уплотнение надо учитывать при принятии решений по схеме разработки лесосеки исходя из требований минимизации экологического ущерба.

2. Теоретические исследования динамического уплотнения почвог-рунта в боковых полосах трасс движения лесных машин. Почвогрунт представляет собой сложную многофазную дисперсную систему, макроскопическое поведение которой под действием нагрузок определяется протеканием многих параллельно идущих процессов различной механической природы. Для феноменологического описания напряженно-деформированного состояния и процессов в грунтах привлекают представления и методы механики сплошных сред, используя различные реологические модели для учета качественных и количественных характеристик деформационных процессов. Многообразие природных разновидностей грунтов и почв и условий воздействия на них ведет к многообразию форм макроскопического поведения среды. Для описания грунтов широко применяют модели: Гука, Ньютона, Прандгля, Кельвина-Фойгта, Максвелла, Сен-Венана, Шведова, в которых для описания поведения материала под действием нагрузок используются три типа элементов — упругая пружина, вязкий демпфер и пластический шарнир. Все эти модели, однако, обладают симметрией по отношению к растяжению и сжатию, тогда как характерной особенностью грунтов является различное сопротивление растяжению и сжатию с нелинейной зависимостью между деформациями и напряжениями при нагрузках и разгрузках. Как показывают результаты многочисленных исследований при любых по интенсивности воздействиях на среду при разгрузке возникают остаточные деформации. Слабые воздействия и малые деформации среды, возникающие в почвогрунте вне трассы движения лес-

ных машин, накапливаясь, могут приводить к заметному уплотнению поч-вогрунта и угнетению роста древесных растений.

Существуют разные подходы к тому, как учесть различное сопротивление при растяжениях и сжатиях. Используя жесткий контакт в сочетании с традиционными элементами, можно строить реологические схемы материалов со сложным комплексом механических свойств. Другой подход предлагается в теории гипопластичности, в которой связь напряжение-деформации представляется нелинейным эволюционным уравнением с коэффициентами, в общем случае зависящими от параметров напряженного состояния и пористости среды, а также от констант, характеризующих типы материалов и определяемых из экспериментов и расчетов.

В механике сплошных сред изменение импульса среды определяется уравнением

сЫ дет..

и=12>3' О)

здесь р — плотность среды, v,- - скорость частиц среды, <ту - тензор напряжений, х, - декартовы координаты, по повторяющимся индексам проводится суммирование.

Для получения замкнутой модели, надо в дополнение к (1) ввести зависимость между напряжениями и деформациями (определяющее уравнение). Простейшим определяющим уравнением является закон Гука а = а(е).

Согласно этому уравнению напряжение а зависит только от относительной деформации £ и не зависит от пути нагружения и истории деформирования. Материалы и среды, которые могут быть описаны подобными соотношениями, называются упругими. Почвогрунты не являются упругими и определяющие уравнения для них должны быть иными.

Определяющее уравнение для почвогрунтов должно отражать особенность почвогрунтов — их жесткость при нагружении меньше жесткости при разгрузке. Для одномерного случая определяющее уравнение можно записать по следующему алгоритму. Рассмотрим одномерную цепочку из грузиков, соединенных между собой пружинками. Возьмем два соседних из них и пусть величины иг и задают смещения этих грузиков из положения равновесия (второй грузик для определенности расположен правее первого грузика). Тогда разность и2 — щ определит деформацию пружинки, соединяющей эти грузики. По закону Гука сила упругости Г, действующая на грузики, пропорциональна деформации ^ = а(м2-м,). Пусть при нагружении пружины ее коэффициент жескости равен къ а при разгрузке он равен к2. При нагружении грузики сближаются и и2 — Щ уменьшается, т.е.

Э(м2-м,)

производная по времени от отрицательна -—-<и. При раз-

д(и2— иЛ л

грузке пружины, наоборот, -—->0. Чтобы учесть различие коэффициентов жесткости при нагружении и разгрузке, вместо закона Гука следо-

с дР , д(щ-и.) д(иг-и,) „ вало бы писать соотношения — = к, —^—— при ——-— <0 и

81 & а?

Э(ы2-м,) д(и2-и,) . „

— = «2—^- при ^ >0. Переходя к пределу сплошной среды,

разность и2 — % следует заменить на пространственную производную —,

дх

д(и2-и,) д ди д ди Эу бм

--- заменить на — — = —гДе ^ = ---скорость деформации

« . 01 дх ох & дх

среды, силу ^ заменить на напряжение <7, а коэффициенты жесткости и /с2 заменить модулями упругости Е1 и Е2. Тогда определяющие уравнения

для одномерной деформации среды переписываются в виде — = — при

ся дх

дv дa■ „дvдvl.г.

—- < 0 и — = Ь2 — при — > 0 .Эти два уравнения можно записать в виде од-дх д( дх дх

ного уравнения, если ввести коэффициенты = ———- и ц2 = —-1.

2 2

да 9у

(2)

дх

Таким образом, зависимость между напряжением и деформациями в ги-попластических моделях представляется в виде уравнения эволюционного • типа, связывающего скорость изменения напряжения и скорость деформации среды, причем это уравнение содержит модуль производной скорости среды по координате. В силу этого оно является нелинейным даже в малом,

дх

Кроме того, зависимость между напряжением и деформацией является нелинейной и в общем случае гипопластическое определяющее уравнение для грунта записывается в виде

т.е. в окрестности ~ - 0, и не допускает решения по теории возмущений.

д*

(^ ЗуЛ /

— /2 - тензор скоростей дефор-

где Оц - тензор напряжений, А, -

дХ] дх,

маций, -

дх) дх,

/2 - тензор скоростей вращений, ||о| = -^г\ББ)

норма тензора скоростей деформаций, Гг(...) - означает сумму диагональ-

ных элементов соответствующего тензора, е - ——— - пористость среды, ¥3

' з

- объем твердой фазы, V - полный объем, Ь я N - некоторые тензорные функции указанных аргументов, имеющие различные представления, в которые входят константы, характеризующие свойства материала.

Первые два слагаемых добавлены в (3), чтобы исключить из рассмотрения случай вращения материала как твердого тела относительно неподвижной системы отсчета. Слагаемое, содержащее |£>|| является обобщением на

трехмерный случай модуля — .

Для исследования волн сжатия в грунтах выберем следующую модель

~ = -асо + а,а + /, (ар + /2 (о)*1г(аО)+ЛГ((т)||Я||, (4)

где /.И-С,^ /» = %,). +

- девиаторная часть тензора напряжений <т, I - единичный тензор; Сь...,С4 -эмпирические константы, которые определяются из тестовых экспериментов в сочетании с решением определяющего уравнения.

Исследуем характер эволюции возмущений, распространяющихся в почвогрунтах, Исходная система уравнений записывается в виде

Й?У д(Т,:

Р-Г = ^Г-> и = 1ЛЗ. (5)

ся ох}

(6)

ш

Рассмотрим плоскую волну, распространяющуюся в положительном направлении оси х. В этом случае искомые компоненты скоростей и напряжений являются функциями только одной координаты х и времени I. Рассмотрим распространение малых деформаций и, кроме того, будем считать, что начальное состояние среды однородное и V0 = 0 (индекс 0 здесь и далее соответствует исходному невозмущенному состоянию среды). При сделанных предположениях система уравнений (5) и (6), описывающая движение ги-попластической среды, приводится к системе трех нелинейных уравнений второго порядка для компонент скорости v = (у, , у2 , у3 )' д\ 2 б\ д\ , д\ , д

812 <1дх> -а> дх2+а4 дх2+Ь2дх

(8)

ач

а?2

2 д\ 8\ 3 — п ., 1

дх2

5 дх

д2у, . д и_ц

2+6,— ¡Д|

6 ас2

ах"

где

ю =

1

+ — 2

+

\( 9У,

21"ас" ' ' а К0ЭФФИЦИеНТЫ СР> ^Ь С.Л, «6,

дх) 2\8х

Ьи...,Ь} определяются параметрами исходного состояния среды и принятой модели. Если все коэффициенты а,, равны нулю, то уравнения (7)-(9) превращаются в независящие друг от друга линейные волновые уравнения, описывающие распространение трех упругих волн (одной продольной и Двух поперечных) со скоростями ср, едь с52- Предполагая, что главные оси невозмущенного тензора напряжений <7у совпадают с осями х, у, г, так что °"ху = ~ а>уг ~ 0 > получим вместо (7)-{9) простую систему уравнений

д\

дх2

8(2

-А^-ъЦа.

дх[

д\

д V.

2__

где

оИ

а,?2 11 а^2

Ш

= о.

54 а/2

аЧ

дх2

= 0

(10) (П)

4

Уравнение (10) представляет собой нелинейное неоднородное волновое уравнение, описывающее продольные и поперечные движения среды, а два уравнения (11) являются линейными волновыми уравнениями, как и в упругом случае, с постоянными, но различными скоростями сз2. Эти скорости совпадают только в случае ст^ = сг°. Таким образом, две поперечные (сдвиговые) волны распространяются независимо друг от друга и от продольного движения, в то время как поперечные движения воздействуют на продольные волны. Другими словами, в гипопластических средах поперечные волны приводят к возбуждению продольных волн. Это означает, что удары движителя о дно колеи в вертикальном направлении будут вызывать и продольные волны, бегущие параллельно поверхности.

Поперечные волны являются упругими и они не приводят к появлению остаточных деформаций, поэтому рассмотрим продольную волну в отсутствие поперечных движений и, = у3 = 0. В этом случае продольные возмущения описываются уравнением

а2у

а2г

ау

Здесь мы перешли к обозначению v, = v. Решение этого уравнения завишу Зу 2 сит от знака производной —. Если всюду и Ь < ср, то уравнение (12)

( г и\дп

сводится к линеиному волновому уравнению —\рр = его ре-

шения соответствуют переносу начального возмущения без изменения формы с постоянной скоростью с, = ^с2р — Ь . Если ~ > 0, то уравнение 32у ( 2 Л<Э2у

принимает вид — + о)—3- - и, и его решения соответствуют переносу начального возмущения без изменения формы с постоянной скоростью сг = у1с1 • В нашем случае Ь>0, поэтому С2>С1 и профили, соответствующие положительным значениям градиента скорости —, распространяются

быстрее, чем профили с отрицательным значением этого градиента. Это означает, что возмущения соответствующие нагружению грунта распространяются медленнее возмущений, отвечающих разгрузке грунта.

В предположении малости параметра Ь уравнение (12) можно упростить, факторизуя волновой оператор и выделяя волну, распространяющуюся в положительном направлении оси х. Это ведет к уравнению первого порядка

<5У Ъ

— + с„ — +-

<3г " дх 2 ср

дх

= 0

(13)

Опишем характер решения этого уравнения на примере возмущения, у которого профиль возмущения в начальный момент времени имеет колоко-лообразный вид, что типично для возмущений, возникающих при ударах

(*-*о)2

у(х,0) = у0е '2 . (14)

В начальный момент времени возмущение локализовано в окрестности „

точки хо. Производная — для этого профиля меняет знак, поэтому с течением времени по мере распространения профиль возмущения будет меняться: участки с отрицательной производной движутся со скоростью Ъ

С1 —, а участки с положительной производной движутся со скоро-

1ср

Ъ

стью сг~ср + ■ В результате их взаимодействия амплитуда возмущения

по мере распространения уменьшается и импульс через некоторое время исчезает.

Уравнение первого порядка (13) получено с помощью приближенной факторизации волнового уравнения (12). Сравнение результатов численного решения этих уравнений показывает, что характер эволюции сигналов остается тот же, однако процесс эволюции, описываемый уравнением (12), более медленный, чем моделируемый уравнением (13).

Исходя из описанной выше и подтвержденной расчетами картины распространения сигнала в среде, можно оценить время и дальность распространения импульса. Если считать, что начальное возмущение сосредоточено в области (х0-1, х0+/), то импульс исчезает, когда левая граница импульса догонит правую. Откуда находим время распространения импульса и дальность распространения

21 21с„ 21с1

с2 - с, о о

Спустя время Г импульс перемещается на расстояние Ь от места первоначальной локализации и амплитуда сигнала становится меньше первоначальной в е раз. Максимальное значение импульса, проходящего через точку х, будет

(*-*о )2

v{x,t)=v0e 12 , (16)

Теперь оценим остаточную деформацию среды д в точке х после прохождения импульса с помощью следующей цепочки соотношений

е ди(х,А "г0ГЭи\,, *сд(8и). "гЭ^Мл,

& =!А*г:=г*1*- (17)

Если до момента времени Г через точку х проходят участки с отрицаем ду I ду тельной производной —, то согласно (13) —--——. После момента

времени I через точку х проходят участки с положительной производной и 5» 1

— =---. Подставляя эти выражения в (17), находим

ох с2 о/

¿1 С1 д() X С2дЧ С1 с2 Си

Как видим, остаточная относительная деформация отрицательна, что соответствует остаточному сжатию среды. Таким образом, остаточную относительную деформацию на расстоянии г от места удара по направлению распространения сигнала можно оценить с учетом (16) величиной

/

\

н

(18)

Оценка (18) получена для случая плоского одиночного возмущения. Проведем на ее основе оценку уплотнения почвогрунта в боковых полосах трассы, возникающего под воздействием динамики движения и поворота лесной машины.

Удар движителя о почвогрунт вызывается неровностью рельефа трассы движения, столкновениями движителя с боковыми стенками колеи при движении и поворотах. Удары характеризуются коротким импульсным воздействием и создают как продольные, так и поперечные волны. При этом преобразование энергии воздействия в колебательную энергию распространяющихся волн происходит в некоторой пространственной окрестности вокруг точки воздействия и эта область также принимает участие в излучении волн. Приближенно вне этой области источник воздействия можно описывать моделью сферического излучателя, расположенного на поверхности. Эффективный радиус излучателя обозначим

Энергия возмущения вдоль поверхности переносится главным образом поверхностными волнами, объемные волны во внимание можно не принимать. Скорость распространения поверхностных волн в однородной среде практически не зависит от частоты, но поверхностные волны экспоненциально затухают вглубь на расстояниях порядка длины волны. Поэтому оценкой (18), полученной в предположении отсутствия дисперсии, можно пользоваться непосредственно вблизи поверхности. Толщину этого слоя можно оценить величиной е<5?, где с — скорость распространения волны, а <5/ - длительность импульса. Для типичных скоростей поверхностных волн в почвогрунтах -300 м/с и при длительности импульса 5 мс толщина слоя будет более 1 м, что превосходит представляющий интерес почвенный слой ~0,4 м.

Отметим еще чисто геометрическое затухание возмущения, вызванное тем, что от места воздействия возмущение распространяется по всем направлениям. Можно принять, что в результате геометрического затухания

поверхностной волны, амплитуда скоростей точек среды убывает как

Ыг

где г - расстояние от места удара до точки, в которой определяется остаточное сжатие.

Удары, вызывающие волны деформаций в среде, можно считать происходящими случайно и охарактеризовать их средним число ударов на единицу пути п = 1/а, где а - среднее расстояние между двумя последовательными ударами. Для оценки полного остаточного сжатия среды А остается просуммировать сжатия, вызываемые всеми ударами

Здесь интегрирование проводится по трассе, Я - расстояние до трассы от точки, где определяется остаточное сжатие, Ь - дальность распространения импульса (15), — максимальная скорость точек среды при ударе, определяемая на нормировочном расстоянии Яо от места удара.

Скорость Уо зависит от многих факторов: динамики движения и поворотов лесной машины, неровности трассы, давления в шинах и т.д. В зависимости от решаемой задачи можно выделять явным, образом влияние того или иного фактора, учитывая остальные в виде множителя. Исследуя влияние скоростного режима движения лесных машин на уплотнение почвог-рунта, запишем эту зависимость в виде vй=av, исходя из того, что повышение скорости движения увеличивает силу удара движителя о почвогрунт. Значение числового параметра а определяется перечисленными факторами.

В результате, выполняя интегрирование и подставляя выражение (15) для дальности Ь, получаем оценку среднего уплотнения почвогрунта на расстоянии Я>Яо от трассы при движении лесной машины со скоростью V

А = 4 се—

Г Я, А Я

/Ы. (19)

где функция * г) ~ ] 4^2 + , а а - числовой коэффициент. Функция

/(¿■) является монотонно убывающей. Ее значения не превышают 2 и почти равны 0 при Я>2Ь.

В окончательном выражении для остаточного сжатия соотношение (19) нужно еще умножить на число проходов лесных машин по трассе I

V [/% /Я

(20)

Отметим также, что оценка уплотнения почвогрунта (20) применима на расстояниях Я больших Я0. На расстоянии Я=Я0 уплотнение конечно и быстро убывает с увеличением расстояния Я.

Коэффициент уплотнения почвогрунта р^р, где р - начальная плотность грунта, а р\ - плотность уплотненного грунта, связан с Л очевидным образом рх!р = 1 + Л.

Приведем числовые оценки. Сейсмические волны распространяются в Земле со скоростями 2-8 км/с. В рыхлых породах скорости могут опускаться до значений 1 км/с и меньше. Кроме того, вдоль поверхности волны рас-

пространяются с меньшими скоростями, чем в толще Земли. С учетом этого в качестве оценочного значения скорости ср можно взять 300 м/с. Для параметра Ъ, характеризующего отличие скоростей распространения деформаций нагружения и разгрузки, примем 104 м2/с2, тогда относительное отличие указанных скоростей составит 10%. Характеристику удара / положим равной 20 см, при этом дальность Ь распространения импульса плоской волны составит 4 м. Среднее расстояние между двумя последовательными ударами оценим в 0,5 м. Для Л0 можно принять 1 м. Подстановка этих значений параметров дает для остаточного сжатия

Для предельных скоростей движения лесных машин (например, трелевочных) примем: 4,5 м/с для порожнего прохода и 2,5 м/с в груженном состоянии. В свою очередь коэффициент а для груженных машин, очевидно, больше, чем для порожних. Как видим, после 50 проходов машин уплотнение почвогрунта на расстоянии 2 м от трассы волока составит 1-10% при а=0,1-0,5. Для расстояния R=Ro результаты получатся в 1,5 раза выше.

3. Объект, аппаратура, методика и условия проведения экспериментальных исследований. В данном разделе описаны задачи экспериментальных исследований, выполнен выбор и обоснование, измеряемых показателей и характеристик, описано приборное обеспечение экспериментальных исследований, дано обоснование точности измерения и достоверности эксперимента, длительности опыта и числа измерений.

При проведении исследований основными независимыми контролируемыми параметрами являлись: плотность почвогрунта, использовавшегося при испытаниях; показатель консистенции; масса штампа. Переменными факторами являлись: угол поворота штампа, в; угловая скорость поворота штампа, со; расстояние от штампа до прилегающего слоя грунта, для которого производился замер сжимающего усилия при повороте штампа, г\.

Выходным параметром являлось максимальное сжимающее усилие, возникающее в прилегающем к штампу боковом слое почвогрунта при повороте штампа, Р. На основании анализа было принято решение о проведении трехуровневого полнофакторного эксперимента.

При проведении эксперимента изучалось влияние угла поворота штампа в и угловой скорости поворота со на усилие Р, возникающее в прилегающих к штампу слоях почвогрунта.

Эксперимент проводился в лабораторных условиях и на лесосеке с использованием метрологически поверенного электронного динамометра сжатия ДОС-З-И, включающего тензодатчик 101ВН и индикаторный терминал R320 с обработкой результатов с помощью специального программного обеспечения и ретрансляцией данных в приложениях Excel. Площадь

индикаторной части тензодатчика составляла =2,89 см2, а вес штампа <2\ =200 Н. Такие параметры нагружения грунта соответствуют в производственных условиях развитию начальных напряжений под штампом при начальных нагрузках при 6=190 кН и площади штампа, равной 5=0,24 м .

4. Результаты исследований. В 2005 году учеными СПбГЛТУ был разработан мобильный измерительный комплекс для моделирования условий работы трелевочной техники при исследовании лесосеки в процессе подготовки к проведению работ на лесосеке. Это техническое решение позволяет измерять неровности волока, углы склона и уклона, коэффициент сопротивления движению машин, но не учитывает извилистость трассы волока, которая очень существешю влияет на маневрирование лесных машин, и, соответственно, уплотнение почвогрунта в боковых полосах трассы.

При работе лесных машин до 70% времени они находятся в режиме поворота, следовательно, для уменьшения уплотнения почвогрунта в боковых полосах волока важно выбрать трассу с минимальной извилистостью в плане. Кроме этого, чем меньше извилистость трассы - тем выше скорость движения машин и меньше затраты энергии.

Учитывая, что согласно Правилам заготовки древесины лесосека может иметь площадь до 50 га, на лесосеке можно наметить несколько десятков и даже сотен трас движения. Таким образом, отсутствие приборного обоснования выбора трасс движения лесных машин отрицательно влияет на эксплуатационную и экологическую эффективность их работы.

Задача предлагаемого технического решения - повышение эффективности изучения лесосеки при ее подготовке к проведению лесосечных работ путем расширения номенклатуры исследуемых показателей за счет определения извилистости трассы волока в плане, что обеспечивает возможность выбора оптимальных трасс движения машин, повышение производительности лесных машин за счет возможности увеличения их скорости, снижения энергоемкости и улучшения экологии за счет сохранения почв при сохранении простоты мобильного измерительного комплекса и обеспечении экономической доступности при использовании измерительного комплекса для любого лесозаготовительного предприятия.

Поставленная задача достигается тем, что в мобильном измерительном комплексе для моделирования условий работы лесных машин при исследовании лесосеки по номенклатуре выбранных показателей в процессе подготовки к проведению работ на лесосеке, включающем установленный на колесном тракторе съемный комплект измерительных приборов, содержащий измеритель крутящего момента в трансмиссии трактора, датчик измерения плотности почвы, устройство для измерения неровностей опорной поверхности, датчики измерения угла склона волока и его уклона, контактирующие со стабилизированной платформой - съемный комплект измерительных приборов снабжен датчиком определения извилистости трассы волока в

плане. В качестве датчика определения извилистости трассы волока в плане может быть использован, например, унифицированный датчик угловых скоростей ДУСУ.

Результаты экспериментальных исследований. Проведенные эксперименты в лабораторных условиях подтвердили, что при повороте штампа на возникающие усилия в прилегающих к нему боковых слоях почвогрунта значительное влияние оказывает угловая скорость поворота штампа. С ростом угловой скорости, возникающие в боковых слоях грунта усилия увеличиваются, например, при повороте штампа на 25° за 1 с усилие в непосредственной близости от штампа приблизительно в два раза больше усилия, возникающего при медленном повороте штампа на тот же угол за 30 с. (рис. 1) Это утверждение справедливо и при удалении слоя от штампа, однако здесь усилия отличаются не столь сильно: так, например, при повороте штампа на 25° за 1 с усилие на расстоянии 48 мм будет на 10-15 % выше по значению, чем усилие при медленном повороте штампа.

с], кПа 16

I I ^рШЗШШИШШйа., !

Рис. 1. Давление, возникающее при повороте штампа в прилегающих слоях грунта при изменении угла поворота штампа (г=1,5 м)

Экспериментальные исследования на лесосеке подтвердили результаты лабораторных опытов. А также показали, что почвогрунт лесосеки, включающий корневые системы, более эффективно гасит уплотняющий импульс, по сравнению с чистым почвогрунтом, используемом в лабораторном эксперименте. Скорректированный коэффициент корреляции при этом составляет 0,93, расчетное значение критерия Фишера 0,1090, что свидетельствует об адекватности построенной модели данным испытаний.

Общие выводы

1. При любых по интенсивности воздействиях на почвогрунт при его разгрузке возникают остаточные деформации. Как следствие этого при прохождении лесных машин по волоку возбуждаемые этим движением волны деформаций в грунте будут приводить к его уплотнению и вне трассы волока. Такое уплотнение следует учитывать при принятии организационно-технологических решений по схеме разработки лесосеки исходя из требований минимизации экологического ущерба.

2. В качестве модели почвогрунта, адекватно отражающей нелинейную и различную зависимость между деформациями и напряжениями в поч-вогрунте при нагрузках и разгрузках, целесообразно выбрать гипопла-стическую модель.

3. Получено приближенное аналитическое решение, описывающее распространение плоского одиночного возмущения в почвогрунте в рамках ги-попластической аппроксимации. Численными расчетами показано, что приближенное аналитическое решение согласуется с точным решением.

4. Получена и проанализирована оценка остаточной деформации в поверхностном слое почвогрунта вне трассы волока в зависимости от расстояния до трассы волока, скорости движения лесной машины, характеристик распространения импульса в почвогрунте, характеристик неровностей волока. При типичных характеристиках волока и почвогрунта в зависимости от скорости движения дополнительное динамической уплотнение почвогрунта от поворотов лесной машины может достигать 10% на расстояниях до 2 м от трассы волока.

5. Проведенные экспериментальные исследования подтвердили, что при повороте штампа на возникающие усилия в прилегающих к нему боковых слоях почвогрунта значительное влияние оказывает угловая скорость поворота штампа. Скорректированный коэффициент корреляции составляет 0,93, расчетное значение критерия Фишера 0,1090, что свидетельствует об адекватности построенной модели данным испытаний.

6. Предлагаемое техническое решение для моделирования условий работы лесных машин при изучении лесосеки по номенклатуре выбранных показателей в процессе подготовки к проведению лесозаготовительных работ позволяет повысить эффективность изучения лесосеки при подготовке лесосеки к проведению работ путем расширения номенклатуры исследуемых показателей за счет определения извилистости трассы волока в плане, что обеспечит возможность выбора оптимальных трасс движения, повышение производительности машин за счет возможности увеличения их скорости, снижения энергоемкости и улучшения экологии за счет сохранения почв при сохранении простоты мобильного измерительного комплекса и обеспечении экономической доступности

при использовании измерительного комплекса для любого лесозаготовительного предприятия.

7. При составлении технологической карты на разработку лесосеки следует учитывать, что места частых поворотов лесных машин, например, места примыкания пасечных волоков к магистральному, следует по возможности отделять от мест куртинного расположения подроста главных пород и оставляемых на доращивание деревьев, особенно с поверхностной корневой системой (ель, пихта).

8. Рядом с местами куртинного расположения подроста главных пород и оставляемых на доращивание деревьев следует ограничивать скорость машин. В этих местах для гусеничных тракторов следует запретить повороты на месте и крутые повороты.

9. При проведении лесовосстановительных работ участки боковых полос волоков, примыкающие к местам поворотов следует оценивать как ухудшенные, и принимать меры по их минерализации.

Осповное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1. Никифорова А.И., Язов В.Н., Барашков И.А., Хахина А.М., Рудов М.Е. Экспериментальные исследования напряженно-деформированного состояния почвогрунта при его уплотнении в процессе маневрирования трелевочной системы // Научное обозрение № 5, 2011. С. 239-249

2. Базаров С.М., Барашков H.A., Никифорова А.И., Хахина А.М. Математическая модель колееобразования в почвогрунтах под воздействием лесных машин // Известия СПбГЛТА, 2011. № 197, С. 54-65.

3. Базаров С.М., Барашков И.А., Никифорова А.И., Хахина А.М. Теория колееобразования в почвогрунтах под воздействием гусеничных лесных машин // Известия СПбГЛТА, 2012. № 198, С. 59-70.

4. Григорьев И.В., Базаров С.М., Киселев Д.С., Никифорова А.И., Хахина A.M. Математическая модель образования колеи в почвогрунтах колесными машинами с упругими шииами // Научное обозрение, 2012. № 5. С. 332-342.

5. Григорьев И.В., Былсв А.Б., Хахина A.M., Никифорова А.И. Математическая модель уплотняющего воздействия динамики поворота лесозаготовительной машины на боковые полосы трелевочного волока У/ Ученые записки Петрозаводского государственного университета. Серия Естественные и технические науки. 2012. № 8. С. 72-78.

6. Григорьев И.В., Никифорова А.И., Хахина А.М. Новые технические и технологические решения для повышения эффективности лесосечных работ // Вестник Московского государственного университета леса Лес-нон вестник, № 1 (93), 2013. С. 46-50.

7. Хахина A.M. Перспективное направление исследований экологической совместимости лесозаготовительных машин с лесной средой / Современные проблемы и перспективы рационального лесопользования в условиях рынка. Материалы Международной научно-технической конференции молодых ученых и специалистов. СПб.: СПбГЛТУ, 2011. С. 339-343.

8. Рудов С.Е., Рудов М.Е., Барашков И.А., Хахина A.M. Методика определения характеристик колеи на трелевочных волоках / Актуальные проблемы развития лесного комплекса: материалы международной научно-технической конференции. - Вологда: ВоГТУ, 2012. С. 52-54

9. Григорьев И.В., Хахина A.M., Рудов М.Е. Пути совершенствования методики трассирования трелевочных волоков с учетом поворотов трактора / Материалы международной научно-технической конференции, посвященной 50-летию кафедры механической технологии древесины ФГБОУ ВПО КГТУ «Актуальные проблемы и перспективы развития лесопромышленного комплекса». Кострома: Изд-во КГТУ, 2012. С. 142-145

10. Хахина A.M. Пути совершенствования методик оценки уплотнения боковых полос трелевочного волока / Материалы девятой международной научно-технической интернет-конференции Леса Росси в XXI веке -СПб.: СПбГЛТУ,

2012. С. 109-115

11. Никифорова А.И., Киселев Д.С., Хахина A.M. Влияние скорости движения трелевочной системы на деформации почвогрунта лесосеки / Материалы республиканского научно-практического семинара-конференции "Инновационная система и методы использования и воспроизводства лесных ресурсов на базе новых технологий интенсивного лесопользования"-Петрозаводск: Петр-ГУ, 2012. С. 48-51.

12. Григорьев И.В., Свойкин Ф.В., Никифорова А.И., Хахина A.M. Освоение переувлажненных и заболоченных лесосек / Дерево.ру, № 4, 2012. С. 6-10.

13. Хахина A.M. Гипопластическая модель почвогрунта / Технология и оборудование лесопромышленного комплекса: сборник научных трудов. Выпуск 6 / Под ред. В.И. Патякина.. - СПб: СПбГЛТУ, 2013. С. 201-208.

14. Хахина A.M., Вечтомов Ф.М., Мальчиков М.В. Лабораторные исследования влияния динамики поворота лесных машин на уплотнение почовхрунта в боковых полосах трелевочного волока / Технология и оборудование лесопромышленного комплекса: сборник научных трудов. Выпуск 6 / Под ред. В.И. Патякина.. - СПб: СПбГЛТУ, 2013. С. 209-215.

15. Никифорова А.И., Григорьева О.И., Киселев Д.С., Хахина A.M., Рудов М.Е. Оценка экологической безопасности работы лесных машин / Природные ресурсы и экология Дальневосточного региона: материалы Международного научно-практического форума. - Хабаровск: Изд-во Тихоокеан. гос. ун-та,

2013. С. 134-138.

16. Григорьев И.В., Свойкин Ф.В., Никифорова А.И., Григорьева О.И., Хахина А.М. Канатно-рельсовая установка. Патент на полезную модель № 113917 опубл. 10.03.2012 Бюлл. № 7.

17. Анисимов Г.М., Кочнев A.M., Григорьев И.В., Юшков А.Н., Никифорова А.И., Хахина A.M. Мобильный измерительный комплекс/Патент на полезную модель № 116624 опубл. 27.05.2012 Бюлл. № 9.

Просим принять участие в работе диссертационного Совета

Д.212.190.03 или прислать Ваш отзыв на автореферат в двух экземплярах с

заверенными подписями по адресу. 185910, Россия, Республика Карелия,

г. Петрозаводск, пр. Ленина, 33.

ХАХИНА АННА МИХАЙЛОВНА АВТОРЕФЕРАТ

Подписано в печать с оригинал-макета 05.11.13. Формат 60x84/16. Бумага офсетная. Печать трафаретная. Уч.-изд. л. 1,0. Печ. л. 1,25. Тираж 100 экз. Заказ № 265. С 16 а.

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

Санкт-Петербургский государственный лесотехнический университет имени С.М. Кирова

На правах рукописи

04201 452017

с/Щ?

ХАХИНА Анна Михайловна

ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ РЕЖИМА РАБОТЫ ЛЕСНЫХ МАШИН НА УПЛОТНЕНИЕ ПОЧВОГРУНТА В БОКОВЫХ ПОЛОСАХ

ТРАСС ДВИЖЕНИЯ

05.21.01. - Технология и машины лесозаготовок и лесного хозяйства

диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель

доктор технических наук, профессор

Григорьев Игорь Владиславович

Санкт-Петербург 2013 год

СОДЕРЖАНИЕ

Введение 4

1. Состояние вопроса и задачи исследования 9

1.1. Лесные почвогрунты 9

1.1.1. Лесные почвы 9

1.1.2. Грунты 20

1.2. Лесные машины 24

1.2.1. Отечественные колесные лесопромышленные тракторы 26

1.2.2. Зарубежные колесные лесопромышленные тракторы 30

1.3. Воздействие лесных машин на почвогрунты лесосек 36

1.3.1. Общие сведения 36

1.3.2. Уплотнение почвогрунтов 38

1.3.3. Колееобразование 43

1.4. Маневрирование лесных машин 47

1.4.1. Управляемость и устойчивость направления движения лесных машин 47

1.4.2. Поворот трактора 48

1.4.2.1. Способы поворота колесных тракторов 52

1.4.2.2. Поворот гусеничного трактора 55

1.4.3. Влияние схем разработки лесосек на повороты лесных машин 59

1.4.4. Маневрирование машин для лесовосстановления 68

1.5. Влияние скорости лесных машин на эффективность их эксплуатации 72

1.6. Выводы по главе 1 75

1.7. Задачи исследования 76 Глава 2. Теоретические исследования динамического уплотнения почвог- 77 рунта в боковых полосах трасс движения лесных машин

2.1. Об уплотнении почвогрунта на лесосеках вне трассы движения 77

2.2. Гипопластическая модель почвогрунта 80

)

2.3. Распространение акустических сигналов в почвогрунтах 91

2.4. Оценка остаточного сжатия среды 99

2.5. Выводы по главе 2 103 Глава 3. Методика и аппаратура экспериментальных исследований 105

3.1. Объекты, приборное обеспечение и условия проведения эксперимен- 106 тальных исследований

3.2. Определение необходимого числа наблюдений и повторений опыта 106

3.3. Лабораторные исследования 108

3.3.1. Основное оборудование и приборы, использовавшиеся при проведе- 108 нии лабораторных исследований

3.3.2. План лабораторных исследований 109

3.3.3. Методика проведения исследований 114

3.3.4. Методика обработки результатов исследований 116

3.4. Экспериментальные исследования на лесосеке 119

3.5. Выводы по главе 3 124 4. Результаты исследований 125

4.1. Результаты лабораторных исследований 125

4.2. Результаты экспериментальных исследований на лесосеке 141

4.3. Новое техническое решение для моделирования условий работы лесных 148 машин при исследовании лесосеки

4.4. Технологические рекомендации по минимизации экологического ущер- 158 ба от воздействия лесных машин

4.4. Выводы по главе 4 161

Общие выводы и рекомендации 164

Литература 167

ВВЕДЕНИЕ

В последние годы все большее внимание ученых и практиков лесозаготовительного производства уделяется проблеме повышения эффективности систем машин и технологических процессов, применяемых при заготовке древесины и лесо-восстановлении.

Эффективность систем машин и технологических процессов лесозаготовительного производства оценивается большим количеством показателей, среди которых весьма важное место занимает показатель экологической эффективности [1,2].

Понятие «экологическая эффективность» определяется компонентом общего вектора эффективности, в который входят производительность, энергоемкость операции, экологический ущерб, надежность и т.д.

Экологическая эффективность должна определяться на основе системного подхода к технологическим процессам и функционированию лесных машин и оцениваться рядом показателей.

Факторы, влияющие на экологическую эффективность работы лесной машины можно объединить в три группы: изменения физико-механических свойств почвог-рунтов лесосеки, влияние на подрост и загрязнение окружающей среды.

В работах [3, 4] убедительно доказано, что одним из важнейших показателей оценки экологической эффективности лесных машин и технологических процессов лесозаготовок должен быть интегральный показатель - уплотнение почвы.

Еще одним важнейшим показателем эффективности лесозаготовительного производства является эксплуатационная эффективность лесных машин.

Понятие «эксплуатационная эффективность» впервые сформулировано в Санкт-Петербургском государственном лесотехническом университете имени С.М. Кирова профессором Г.М. Анисимовым. Применительно к трелевочным тракторам, эксплуатационная эффективность трелевочного трактора - максимальное использо-

вание энергетического потенциала при трелевке пачки, позволяющая определить оптимальное соотношение энергонасыщенности трактора и рейсовой нагрузки условиям эксплуатации [5].

После семидесятых годов XX века для оценки функционирования машин и оборудования лесозаготовительной промышленности начали применяться показатели, характеризующие не только экономическую эффективность, но и энергетическую, социальную, техническую и экологическую эффективности [6, 7].

Неоценимый вклад в оценку эффективности и формулирование задач и направлений развития отечественной лесозаготовительной отрасли внесли труды доктора технических наук, профессора И.Р. Шегельмана. В [9] проведен анализ работы лесных машин на основе предложенного коэффициента технологической проходимости с использованием системы СРБ-мониторинга для получения необходимых расчетных данных. Приведена методика расчета для выбора оптимальной системы машин для работы в трудных природно-производственных условиях.

В [10] рассмотрены аспекты перехода к эффективному и устойчивому лесопользованию на основе анализа истории развития комплексного лесопользования в России. Проанализировано современное состояние области использования древесной продукции, предложены меры по интенсификации процессов перехода к устойчивому лесопользованию. Намечен план перспективных научно-исследовательских, опытно-конструкторский и технологических работ.

Оценка работы лесных машин одним показателем каких-либо свойств, например, энергетических, скоростных, или тяговых не позволяет сформулировать представление об их совершенстве и эффективности применения. Это доказано в работах ведущих работников промышленности и исследователей лесных технологических процессов и машин лесозаготовительной промышленности [11, 12].

Для увеличения объема заготовки необходимо создание и внедрение новых специальных лесных машин, которые обладали бы приемлемым уровнем стоимости,

имели высокую производительность и были совместимы с лесной средой по экологическим показателям. Колесные тракторы являются наиболее перспективной базой для лесных машин поскольку, по сравнению с гусеничными, имеют большую производительность за счет более высоких транспортных скоростей [13].

Энергонасыщенность лесной машины может расходоваться на повышение скорости движения и на увеличение касательной силы тяги. Оба этих направления имеют и положительные и отрицательные моменты [14,15].

При взаимодействии движителя с опорной поверхностью в массиве почвог-рунта происходят чрезвычайно сложные процессы. В сложной, многогранной проблеме взаимодействия лесных машин с волоком отсутствуют комплексные исследования о влиянии режима работы лесной машины на уплотнение почвогрунта в боковых полосах трассы движения, с учетом физико-механических свойств почвогрунта.

Сохранение плодородия лесных почв является одним из магистральных направлений научно-технического прогресса в лесозаготовительном производстве. Развитие отраслевой науки и практические действия предприятий всех основных и обслуживающих подотраслей должны быть направлены на создание эффективной системы использования природных ресурсов.

Часть материалов работы получена при выполнении НИР № 01201255482 «Разработка теоретических основ сквозных технологических процессов и модульных систем машин лесозаготовительного производства», руководитель, проф. И.В. Григорьев.

Диссертационные исследования выполнялись в створе следующих пунктов области исследования специальности: 05.21.01 Технология и машины лесозаготовок и лесного хозяйства:

• Выбор технологий, оптимизация параметров процессов с учетом воздействия

на смежные производственные процессы и окружающую среду.

• Теория и методы воздействия техники и технологий на лесную среду в процессе заготовки древесного сырья и лесовыращивания.

• Обоснование и оптимизация параметров и режимов работы лесозаготовительных и лесохозяйственных машин.

• Разработка инженерных методов и технических средств обеспечения экологической безопасности в лесопромышленном и лесохозяйственном производствах.

Цель работы. Уменьшение экологического ущерба от воздействия лесных машин на почвогрунт при разработке лесосек в различных природно-производственных условиях исходя из требований эффективного лесовосстановле-ния.

Объект исследований. Почвогрунты боковых полос трасс движения лесных машин.

Предмет исследования. Процесс уплотнения почвогрунтов боковых полос трасс движения под воздействием лесных машин.

Научная новизна. Разработанная математическая модель воздействия лесных машин на почвогрунты боковых полос трасс движения, с учетом их физико-механических свойств, позволяющая определять условия уплотнения, углубляет теорию взаимодействия лесных машин с поверхностью движения.

Практическая значимость. Результаты исследования позволяют организационно-технологическими мероприятиями уменьшить экологический ущерб от воздействия лесных машин на почвогрунты и сохранить их лесорастительные свойства.

Достоверность выводов и результатов исследований обеспечена: применением теории удара, теории гипопластичности, методов математической статистики; проведением экспериментальных исследований и подтвержденной адекватностью полученных моделей за счет удовлетворительной сходимости экспериментальных и теоретических данных.

На защиту выносятся следующие положения:

• Математическая модель уплотнения почвогрунта боковых полос трасс движения лесных машин, позволяющая оценивать уплотнение почвогрунта в зависимости от режима работы лесной машины и его свойств.

• Оценка остаточной деформации в поверхностном слое почвогрунта вне трассы движения в зависимости от расстояния до трассы, режима работы лесной машины.

• Новое техническое решение для повышения эффективности изучения лесосеки при ее подготовке к проведению лесосечных работ.

• Технологические рекомендации, повышающие экологическую эффективность работы лесных машин.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, основных

выводов и рекомендаций, списка литературы. Общий объем работы 180 страниц.

Диссертационная работа содержит 47 рисунков, 26 таблиц. Список литературы содержит 151 источник.

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ

1.1. Лесные почвогрунты

При воздействии движителей лесных машин на опорную поверхность волока имеются контакты как с лесной почвой, так и с грунтом. Это связано с тем, что лес, являясь самой высокопроизводительной экосистемой на планете Земля [16], при производстве биомассы максимально истощает ресурсы почвы, на которой произрастает [17]. В результате толщина почвенного покрова в лесу обычно не превышает 6-7 см [18], высота грунтозацепа колесного лесопромышленного трактора достигает 13 см. Поэтому движитель лесной машины, продавливая слой лесной почвы воздействует одновременно на почву и на подстилающий грунт [19].

Наиболее четкое определение понятия «почвогрунт» дано в работе [20]: поч-вогрунт - это многослойная поверхность движения машин, состоящая из одного или нескольких слоев органической и одного или нескольких слоев минеральной составляющих, с которыми движитель машины взаимодействует одновременно.

1.1.1. Лесные почвы

Почва - это гетерогенная многофазная дисперсная система с определенными верхней (как правило, - это дневная поверхность) и нижней (на границе с подстилающей породой) границами, обладающая свойствами аккумулировать и выделять, проводить и трансформировать вещества и энергию [21, с. 1044]. Важнейшим свойством почвы для биосферы всей планеты является ее плодородие - совокупность свойств почвы (содержание гумуса, доступных для растений питательных веществ, влаги и др.) обеспечивающая рост и развитие растений. Различают потенциальное (естественное) и искусственное плодородие (приобретенное после воздействия человека) [21, с. 1011].

Для лесной среды, являющейся самой производительной на планете биологической системой [22], почвенное плодородие является первостепенным фактором, влияющим на успешность ее развития, как в пространстве, так и во времени «сукцессия».

Одним из основных факторов, влияющих на почвенное плодородие являются физические свойства почвы [23, 24]. Физические свойства почвы разделяются на основные (плотность, пористость, пластичность, липкость, связность, твердость, спелость) и функциональные (водные, воздушные и тепловые) [25, 26]. К последним относят способность поглощать (впитывать) выпадающие осадки или оросительную воду, пропускать, сохранять или удерживать ее, подавать из глубоких горизонтов к поверхности, снабжать ею растения и т.д.

В процессе и в результате почвообразования толща почвы расчленяется на несколько горизонтов, которые в совокупности составляют профиль почвы. Горизонты отличаются друг от друга по составу и свойствам и это находит отражение и в их морфологических признаках [27].

Способность твердой фазы почвы давать структурные отдельности различной формы и величины, на которые почва естественно и распадается, называется структурностью почвы, а форма этих отдельностей — структура почвы. Так, например, говорится, что «почва имеет зернистую структуру», это значит, что она распадается на мелкие острогранные частички [28].

В зависимости от выраженности структуры различают почвы структурные, обладающие более или менее хорошо выраженной структурой, и почвы бесструктурные, которые никакой структурой не обладают. К числу последних относится большая часть песчаных почв, в которых содержится слишком мало клеящих веществ — перегноя и глинистых коллоидов, обусловливающих возможность появления структуры.

Принято различать следующие основные типы структуры.

• Кубовидную, когда структурные отдельности развиты более или менее равномерно по всем трем осям.

%

• Призмовидную, когда структурные отдельности вдоль вертикальной оси вытянуты значительно больше, чем вдоль двух горизонтальных осей.

• Плитовидную, когда структурные отдельности вдоль двух горизонтальных осей вытянуты значительно больше, чем вдоль вертикальной оси.

Рис. 1.1. Наиболее распространенные виды структуры почвы I тип - кубовидная структура: 1 - крупнокомковатая; 2 - среднекомковатая; 3 - мелкокомковатая; 4 - пылеватая; 5 - крупноореховатая; 6 - ореховатая; 7 - мелкоорехова-тая; 8 - крупнозернистая; 9 - зернистая; 10 - порошистая; II тип - призмовидная структура: 11 - столбчатая; 12 - столбовидная; 13 - крупнопризматическая; 14 -призматическая; 15 - мелкопризматическая; 16 - тонкопризматическая; III тип - пли-товидная структура: 17 - сланцеватая; 18 - пластинчатая; 19 - листоватая; 20 - грубо-

чешуйчатая; 21 - мелкочешуйчатая

Наличие у почвы мелкокомковатой структуры оказывает большое влияние на различные ее свойства и, в частности, на лесорастительные. Так, например, тяжелая

глинистая почва, которая в бесструктурном состоянии обладает малой водопроницаемостью, плохо проветривается и т.д., т.е. обладает весьма плохими лесорастительными свойствами. Вместе с тем, при наличии водопрочной мелкокомковатой структуры, которая обеспечивает хорошую водопроницаемость, хорошую воздухопроницаемость и т. д., окажется одним из лучших субстратов для произрастания леса. Поэтому сохранение такой структуры в почве, где она имеется, или создание ее в бесструктурной почве является важной задачей обработки почвы, например в лесных питомниках, древесных школах, плантациях и на лесокультурных площадях [29].

Под гранулометрическим (или механическим) составом почвы понимают относительное содержание в ней частиц разной величины: камней, песка, пыли и глины. От гранулометрического состава зависит водопроницаемость почвы, ее способность длительно удерживать в себе влагу (влагоемкость), сопротивление почвы проникновению в нее корней растений и т.д. От механического состава почвы отчасти зависит и состав древесной растительности. Например, на песках чаще поселяется сосна, благодаря стержневой корневой системе, на суглинистых почвах — ель, благодаря поверхностной корневой системе, и т.д. [30].

Сложение почвы выражает степень ее плотности или рыхлости, а также характер ее пористости.

Принято различать сложение почвы весьма плотно