автореферат диссертации по технологии, машинам и оборудованию лесозаготовок, лесного хозяйства, деревопереработки и химической переработки биомассы дерева, 05.21.01, диссертация на тему:Повышение работоспособности трасс трелевки путем снижения интенсивности колееобразования

ЛИСОВ Владимир Юрьевич

ПОВЫШЕНИЕ РАБОТОСПОСОБНОСТИ ТРАСС ТРЕЛЕВКИ ПУТЕМ СНИЖЕНИЯ ИНТЕНСИВНОСТИ КОЛЕЕОБРАЗОВАНИЯ

05.21.01 - Технология и машины лесозаготовок и лесного хозяйства

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

27 НОЯ 2014

Архангельск - 2014

005555763

ЛИСОВ Владимир Юрьевич

ПОВЫШЕНИЕ РАБОТОСПОСОБНОСТИ ТРАСС ТРЕЛЕВКИ ПУТЕМ СНИЖЕНИЯ ИНТЕНСИВНОСТИ КОЛЕЕОБРАЗОВАНИЯ

05.21.01 - Технология и машины лесозаготовок и лесного хозяйства

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Архангельск - 2014

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный лесотехнический университет имени С.М. Кирова»

доктор технических наук, профессор Григорьев Игорь Владиславович

Мануковский Андрей Юрьевич доктор технических наук, доцент, профессор кафедры промышленного транспорта, строительства и геодезии ФГБОУ ВПО «Воронежская государственная лесотехническая академия»

Галактионов Олег Николаевич

кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры технологии и организации лесного комплекса ФГБОУ ВПО «Петрозаводский государственный университет»

ФГБОУ ВПО «Московский государственный университет леса», Московская область, г. Мытщци-5

Защита состоится 24 декабря 2014 года в 15:00 часов на заседании дис- I сертационного Совета Д 212.008.01 на базе ФГАОУ ВПО «Северный (Аркгиче- | ский) федеральный университет имени М.В. Ломоносова» по адресу: 163002, г. Архангельск, набережная Северной Двины, 17, ауд. 1220.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГАОУ ВПО «Северный (Арктический) федеральный университет имени М.В. Ломоносова» и на сайте www.narfu.ru.

Автореферат разослан «5» ноября 2014 г.

<

I 1 I

Научный руководитель: Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

Ученый секретарь диссертационного Совета

Земцовский Алексей Екимович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования. Характерной особенностью заготовки древесины в нашей стране является сезонный характер работы лесозаготовок, что отрицательно сказывается на работе всех отраслей лесопромышленного комплекса. Применяющиеся в настоящее время отечественные и импортные гусеничные и колёсные лесные машины не могут стабильно работать на большей части лесного фонда России. Причина заключается в том, что более половины площадей лесных районов Российской Федерации находятся на почвог-рунтах, неблагоприятных для движения лесных машин. Поэтому важным требованием к лесопромышленным тракторам является их высокая проходимость.

Проходимость — это комплексная характеристика, относящаяся одновременно к почвогрунту, машине и их взаимодействию и зависящая от физико-механических свойств почвогрунта, конструктивных параметров движителя и технических характеристик машин. Установление связи между физико-механическими свойствами почвогрунтов и тягово-сцепными качествами машины является главным в науке о проходимости машин.

В процессе работы на лесосеках с переувлажнёнными почвогрунтами лесные машины, совершающие многократные перемещения по волоку, разрушают почвогрунт и образуют колеи. Колееобразование приводит к снижению рейсовых нагрузок, производительности машин, их преждевременному износу и выходу из строя, невозможности эксплуатации при достижении глубиной колеи величины клиренса машины, увеличению расхода топлива.

Чувствительность почв к повреждению в процессе лесосечных работ является одним из основных факторов, определяющих эффективность лесозаготовительного производства, возможность применения тех или иных технологий, способов рубок и комплексов машин.

Лесной почвогрунт - это сложная многослойная система, состоящая из нескольких органических слоёв и одного или нескольких минеральных слоев, с которыми движители лесных машин взаимодействуют одновременно.

Основное внимание в диссертации уделено исследованию физико-механических свойств почвы и грунта, поскольку почвогрунт является опорной поверхностью для движения лесных машин.

Следовательно, тема диссертационного исследования является актуальной и направлена на решение широкого круга актуальных задач технологии и оборудования для лесосечных работ, в частности повышения проходимости лесных машин и снижения экологического ущерба при их работе в лесу.

Степень разработанности темы исследования. При эксплуатации лесной техники, тяговых расчётах, определении проходимости принято рассматривать воздействие машин на почвенно-грунтовые условия без разделения на грунты и почвы. Физико-механические свойства почвы исследованы слабо, точных сведений об их значениях в литературе не приводится. Лучше изучены грунты, поэтому представляет интерес сравнить почву и грунт, установить их общие свойства и различия, для того, чтобы оценить возможность использования, применительно к почвам, теоретических зависимостей и показателей физико-механических свойств грунтов.

Цель работы. Повышение работоспособности трасс трелёвки за счёт уменьшения глубины колеи путём прогнозирования параметров процесса ко-лееобразования, возникающего при многократном прохождении машин по волоку.

Для достижения поставленной цели были сформулированы и решены следующие задачи исследования:

1. Разработать математическую модель процесса колееобразования при работе гусеничных лесных машин, отличающуюся учётом неоднородности массива почвогрунта.

2. Разработать методику экспериментальных исследований.

3. Провести экспериментальные исследования: в лабораторных условиях определить физико-механические свойства почвы и грунта; в производственных условиях исследовать процесс образования колеи и работу колееобразования в зависимости от числа проходов техники.

4. Получить данные об адекватности разработанной физической и математической модели почвогрунтов.

5. Разработать рекомендации для принятия организационно-технологических решений по разработке лесосек исходя из требований повышения работоспособности трасс трелёвки, минимизации экологического ущерба и уменьшения расхода топлива лесных машин.

Научная новизна исследования. Разработана и исследована математическая модель взаимодействия гусеничного движителя с почвогрунтом, отличающаяся учётом неоднородности строения почвогрунта, позволяющая прогнозировать параметры процесса колееобразования при многократном прохождении машины по волоку и работу колееобразования, а также обосновывать параметры движения лесных машин, исходя из требований о минимизации глубины колеи и расхода топлива.

Теоретическая и практическая значимость работы.

1. Разработанная математическая модель позволяет прогнозировать параметры процесса колееобразования, возникающего при многократном прохождении лесных машин по волоку.

2. Получены зависимости: угла внутреннего трения, сцепления частиц почвы и грунта, плотности почвы, модуля деформации почвы и грунта от влажности; коэффициента фильтрации лесной почвы от её плотности; работы колееобразования и глубины колеи от числа проходов трактора.

3. Разработаны рекомендации для принятия организационно-технологических решений по разработке лесосек исходя из требований повышения работоспособности трасс трелёвки, минимизации экологического ущерба и уменьшения расхода топлива лесных машин.

Методология и методы исследования.

Теоретической основой исследования явились работы ведущих отечественных и зарубежных учёных по повышению экологической эффективности лесосечных работ. В работе использованы базовые методы математического моделирования, измерения и обработки экспериментальных данных.

Автор в своих исследования опирался на фундаментальные работы видных учёных в области оптимизации технологических процессов лесосечных работ, систем машин и режимов их работы: Г.М. Анисимова, С.И. Булдакова, Ю.Ю. Герасимова, Э.Ф. Герца, A.M. Голдберга, И.В. Григорьева, В.А. Иванова, H.A. Иванова, В.М. Котикова, В.Г. Кочегарова, A.M. Кочнева, В.К. Курьянова, В.А. Макуева, А.И. Никифоровой, С.Ф. Орлова, П.Б. Рябухина, B.C. Сюнева, И.Р. Шегельмана, Ю.А. Ширнина и др.

На защиту выносятся следующие положения:

• Физическая и математическая модель процесса колееобразования при работе гусеничных лесных машин с учётом неоднородности массива почвог-рунта.

• Зависимости внутреннего сцепления и угла внутреннего трения частиц почвы и грунта от влажности.

• Зависимость плотности почвы от её влажности, коэффициента фильтрации от плотности, модуля деформации и упругости слоёв почвогрунта от влажности.

• Зависимости глубины колеи и работы колееобразования от числа проходов трактора.

• Рекомендации, снижающие экологическую нагрузку на природу при работе лесных машин.

Степень достоверности и апробация результатов. Достоверность результатов обеспечивается применением современных методов исследования, обоснованностью принятых гипотез и допущений, обоснованностью методов расчёта и моделирования, а также подтверждается экспериментальными исследованиями процесса колееобразования при работе гусеничных лесных машин.

Основные результаты исследований докладывались и обсуждались на: МНТК молодых учёных и специалистов «Современные проблемы и перспективы рационального лесопользования в условиях рынка» (СПб, 2011); десятой МНТК «Леса России в XXI веке» (СПб, 2012); II МНТК «Актуальные проблемы и перспективы развития лесопромышленного комплекса» (Кострома, 2013); И ВНТК аспирантов, магистров и молодых учёных с международным участием «Молодые учёные - ускорению научно-технического прогресса в XXI веке» (Ижевск, 2013); IV international research and practice conference «European Science and Technology» (Германия, 2013); III international research and practice conference «Science and Education» (Германия, 2013); II international research and practice conference «Science, Technology and Higher Education» (Канада 2013).

Работа выполнена в рамках научной школы «Инновационные разработки в области лесозаготовительной промышленности и лесного хозяйства», которая включена в реестр ведущих научных и научно-педагогических школ Санкт-Петербурга распоряжением Комитета по науке и высшей школе Правительства Санкт-Петербурга от 13.12.2013 № 99. Руководитель школы - проф. И.В. Григорьев.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 12 печатных работ, из них пять в журналах, рекомендованных ВАК РФ.

Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, общих выводов и рекомендаций, списка литературы. Общий объём работы 179 страниц машинописного текста. Диссертационная работа содержит 42 рисунка, 49 таблиц. Список литературы содержит 146 источников.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении сформулирована актуальность темы диссертации, цели, задачи и основные положения представляемой работы, термины и определения.

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

В первой главе рассмотрено состояние нерешённых вопросов, современное состояние лесных машин, параметры и показатели проходимости лесных машин, происхождение, классификация и физико-механические свойства почв и грунтов. Отмечено влияние природно-производственных условий на лесозаготовительные работы. Установлены факторы, определяющие глубину колеи. Показано воздействие лесных машин на почвогрунты лесосек, в частности уплотнение и колееобразование.

Анализ научно-исследовательских работ показал, что в настоящее время в мире нет машин для лесосечных работ, способных стабильно работать на переувлажнённых почвогрунтах с низкой несущей способностью. Любое воздействие на лесной почвогрунт приводит к его деформациям. Эти деформации существенно меняют физико-механические свойства слоёв почвогрунта и сказываются на их лесорастительных свойствах. Такие деформации нужно учитывать ! при принятии решений по схеме разработки лесосеки исходя из требований минимизации экологического ущерба.

Известно, что физико-механические свойства почв и грунтов характеризуются близкими показателями. Пределы изменения этих показателей у почв в основном находятся в более широком диапазоне, чем у грунтов. Лучше изучены грунты, поэтому представляет интерес сравнить почву и грунт, установить их общие свойства и различия, для того, что бы оценить возможность использования, применительно к почвам, теоретических зависимостей и показателей физико-механических свойств грунтов.

ГЛАВА 2. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ПРОЦЕССА КОЛЕЕОБРАЗОВАНИЯ ПРИ РАБОТЕ ГУСЕНИЧНЫХ ЛЕСНЫХ МАШИН С УЧЕТОМ НЕОДНОРОДНОСТИ МАССИВА ПОЧВОГРУНТА

При моделировании процесса деформации почвогрунта под воздействием движителя лесной машины широкое распространение получили математические модели, в рамках которых уплотняемый почвогрунт считается однородным и соответствует физической классической модели Мора-Кулона. В реальных условиях свойства почвогрунта изменчивы.

При многократном проходе машины по волоку почвогрунт деформируется неравномерно.

Для расчёта параметров процесса колееобразования принята за основу для вычислений модель, основанная на положениях работы Я.С. Агейкина.

Для расчёта глубины колеи, образующейся после прохода машины по волоку, принята расчётная схема, представленная на рисунке 1.

До прохода машины почвогрунт характеризуется следующими параметрами: Еп— модуль деформации почвы ненарушенной структуры; Сц— внутреннее сцепление почвы ненарушенной структуры; (pon — угол внутреннего трения почвы ненарушенной структуры; Ег - модуль деформации грунта ненарушенной структуры; Сг - внутреннее сцепление грунта ненарушенной структуры; <рог - угол внутреннего трения грунта ненарушенной структуры; Ип - толщина слоя почвы ненарушенной структуры; Нг - толщина деформируемого слоя грунта ненарушенной структуры. Под «ненарушенной структурой» понимается состояние почвогрунта, в котором он находился до прохода машины.

Рисунок 1 - Схема к расчёту глубины колеи при проходе машины по почвогрунту лесосеки: 1 - движитель; 2 - слой почвы; 3 - деформируемый слой грунта; 4 - недефор-мируемый слой грунта; И — глубина колеи; Нп - толщина слоя почвы после прохода машины; Нг' - толщина деформируемого слоя грунта после прохода машины; Ь - средняя ширина площадки контакта

Для определения деформации почвогрунта рассмотрим интегральное уравнение для определения осадки деформируемого массива под действием нормального давления.

Осадку массива (Агл) при линейной связи напряжений и деформаций найдём из решения интегрального уравнения:

где Е - модуль деформации массива почвогрунта; а(:) - нормальное напряжение, возникающее при воздействии движителя гусеничной машины, распространяющееся вглубь массива почвогрунта по оси г; =1, :2 ~ координаты по оси г, ограничивающие рассматриваемый слой массива почвогрунта.

Используем закон распределения вертикальных напряжений сжатия о{:) по оси г в следующем виде:

4

(1)

J

и

где р - среднее давление по площадке контакта; г - расстояние, отсчитываемое вниз по вертикали от поверхности контакта движителя с почвогрунтом; параметр J вводится для учёта формы пятна контакта; параметр аЬ' вводится в формулу (2) для учёта взаимного влияния геометрии площадки контакта и толщины деформируемого слоя почвогрунта на затухание напряжений по оси г.

После подстановки (2) в (1) и интегрирования по г получим:

^¿Н^Ш} (з)

С учётом того, что рассматривается массив, состоящий из двух слоев, в выражении (3) для координат г следует принять для первого слоя = 0, г2 =ЯП-йшь Для второго слоя Г! = #п - Лид и г2 = Нг - Игл, где кп - вертикальная деформация слоя почвы; Иг - вертикальная деформация слоя грунта. Индекс Л соответствует величине деформации, т.е. деформации сжатия без учёта дополнительного увеличения общей деформации за счёт сдвига слоев.

Для определения линейной деформации слоя почвы (Апл) получим:

Л я/Г

Для определения линейной деформации слоя грунта (Агл) получим:

Параметр для учёта геометрии пятна контакта будет:

0,03 + (

0,6 + 0,43

(4)

(5)

(6)

где величины / и Ъ определяются исходя из параметров движителя. Примем значение Ъ приближенно равным ширине движителя, / - длине движителя.

Тогда, параметр для учёта затухания напряжений определяется по формуле:

/ . \

аП=

1 + -

Нп+Нг

где Р— площадь пятна контакта.

Площадь пятна контакта определяется по формуле:

F = / - А.

Выражение (7) примет вид:

аЭ'= 1+-

(7)

(8)

(9)

, Нп+Нг

Учтём, что по мере приближения напряжений к несущей способности деформируемого массива деформации последнего возрастают непропорционально напряжениям, т.е. происходит потеря несущей способности, что соответствует физической картине деформации почвогрунта. В этой связи определим

действительные вертикальные деформации составляющих массива Ип и Ир (т.е. глубину колеи) с учётом несущей способности (дот для почвы и р$г для грунта) по формулам:

Psn

Ркг

(10)

Р-Рзп Р-Рзг

В итоге из уравнений (4) и (5) с учётом (10) получим выражения для определения вертикальных деформаций слоев массива почвогрунта с учётом физической картины его деформации:

Р-Рт7 '

, p-psn JaD' К =Р—~ arctg

Psn Еп

Hn-tb*

Psn

Pst Er

arctg

нг-К

P-Psr Psr

aD'

aD'

-arctg

H -h P'Psn 11 n "n

_Psn

aD'

(И)

(12)

Глубина колеи А при этом:

Ь = К + (13)

С учётом схемы на рисунке 1, выражения для определения несущей способности почвы и грунта при их совместном деформировании примут вид:

(14)

4 26 4 2 Ъ

1 ,

Psr = -PsarK arctg

*{на*-нг(15)

2 Ъ

2 Ъ 4'

Величиныpson, Psor определяются по формулам:

Psoa П Psor=^\^\r + г (16)

В формулах (16) используются коэффициенты для учёта механических свойств почвы и фунта:

Хлп — "

Шп>

2Соа{\ + Шп2)

Хщ -X,

Шп3 . Гп .

Х.г->=

х„

Гг^-Шг) ш/ ' _2Сог(1+Жгг)

шг'

у — ■

,Г" шгг'

(17)

где уп - объёмный вес почвы; С0п - внутренне сцепление почвы; <роп - внутреннее трение почвы; уг - объёмный вес фунта; С0г — внутреннее сцепление фунта; <рог~ внутреннее трение фунта; Шп - параметр почвы; Шг- параметр фунта.

Влияние геометрии пятна контакта гусеничного движителя с почвогрун-том учитывается с помощью следующих коэффициентов:

/ . 1 + Ь

(18)

/ + 0,4£>' 2 / + 0,56

При многократном прохождении машин по одному и тому же участку волока необходимо учесть изменение физико-механических свойств почвогрунта, вызванные нарушением его структуры в результате предыдущего прохода машины и их влияние на параметры процесса колееобразования.

Вопросы моделирования процесса колееобразования при многократном прохождении техники крайне сложны для аналитического описания и остаются слабо изученными. Для учёта числа проходов используем эмпирическую модель, предложенную Г.М. Анисимовым, в рамках которой глубина колеи после N-ro прохода (hN) определяется через глубину колеи после первого прохода (А/) по логарифмической зависимости:

К ~hm •O + InJV). (19)

Физико-механические свойства почвы малоизученны, точных сведений об их значениях в литературе не приводится. В связи с этим для реализации математической модели нужно задаться диапазоном их изменения.

В работе И.В. Григорьева по расчёту показателей процесса уплотнения почвогрунта при трелёвке пачки хлыстов представлена классификация лесных почвогрунтов по категориям прочности (таблица 1). В зависимости от соотношения величин влажности почвогрунта ((V) и его предела текучести (fVr) было выделено три категории: I - почвогрунты слабые (W>fVT), II - средние (W=WT), и III - прочные (IV<WT). Для всех трёх категорий почвогрунтов определены: начальная плотность естественного сложения (у), модуль деформации массива почвогрунта (Е), внутреннее сцепление (С), угол внутреннего трения (<р). Отметим, что в таблице 1 представлены осредненные данные для массива почвогрунта в целом без разделения на отдельные слои, что обусловлено допущением толщины почвенного слоя.

Параметры Категории почвогрунта

I II III

Е, МПа 0,4 1 3

С, кПа 5 12 24

<р, град 11 15 16

у, кН/м" 7,5 8,5 9,5

Н, м 0,8 0,4 0,3

Анализ данных, представленных в таблице 1, показывает, что физико-механические свойства массива почвогрунта и толщина его деформируемого слоя могут быть выражены через модуль деформации как интегральную характеристику его деформативных свойств. Используем эти данные для моделирования свойств грунтового слоя. Представим зависимости, полученные путём аппроксимации данных таблицы 1, в виде графика на рисунке 2.

Аппроксимированные зависимости (Я2 не менее 0,9) для грунтового слоя имеют вид:

Сг = 10,774£/77"; <раг = Н.бгЗЕ/-2956; уг = 8,4008£ГОИ68; Нг = 0,4714£г-°-4". (20)

г, м

0 1

Ер, МПа

Рисунок 2 - Зависимости физико-механических свойств и толщины деформируемого слоя поч-вогрунта от модуля деформации (без учёта физико-механических свойств почвы): 1 - С(£); 2 -?(£); 3-Я(£); 4-у(£)

Для предварительной оценки деформативных свойств массива почвог-рунта с учётом физико-механических свойств почвы в рамках разрабатываемой математической модели примем допущение о том, что механические свойства почвы качественно зависят от её модуля деформации так же, как аналогичные свойства слоя лесного грунта. При этом, с учётом исследований В.М. Котикова по воздействию лесных машин на лесные почвы, примем, что свойства почвы соотносятся со свойствами грунта следующим образом: Еп1Ег= 0,1; Сд/С/-= 0,7; <Роп!<Рог = 1.5; уп!уг = 0,8; НП1НГ= 0,25. Тогда для оценки физико-механических свойств почвы получим следующие уточнённые зависимости: Ся = 44,775£п0'77"; (рйп = 44,32Епол™; уп = 8,7943£п0"68; Нп = 0,0391£„^479. (21) Формулы (21) представлены в виде графиков на рисунке 3.

кПа 40 -1

0 Фоп, 30 -

Уп. 20 -

кН/м" 10 -о -

0,25 Нп,м " 0,2

0,1 0,2 0,3 0,4 Еп, МПа

Рисунок 3 - Зависимости физико-механических свойств и толщины слоя почвы от модуля деформации: 1 -<р(Е); 2 -Я(£);3-С(£); 4 -у(Е)

Уравнения (6), (9), (11)—(21) составляют основу предлагаемой математической модели для расчёта глубины колеи при первом проходе гусеничной машины по массиву лесного почвогрунта. Исходные данные, необходимые для реализации математической модели: модуль деформации грунтового слоя массива почвогрунта, длина / и ширина Ь движителя, среднее давление на поверхность массива почвогрунта со стороны движителя р.

Трансцендентные уравнения (11), (12) не имеют замкнутых решений относительно искомых величины Ая и hr, однако их решение при реализации модели не вызывает затруднений при использовании численных методов.

Примем исходные данные для трактора ДТ-75: Ъ = 0,4 м, Е = 400 — 800 кПа, / = 1,6 м,р = 45 - 75 кПа. Результаты расчётов деформации отдельных сло-ёв (почвы и грунта) Ад и hr, а также суммарная деформация массива (глубина колеи К) — представлены в таблицах 2-4. Вычисления были проведены в прикладном программном пакете Maple 15.0.

Таблица 2 — Вертикальная деформация слоя почвы после первого прохода гусеничной машины _ _ _

Е, кПа hn, мм

р, кПа

45 60 75

400 65,29 82,95 99,05

600 36,11 46,43 56,04

800 23,57 30,54 37,11

Таблица 3 — Вертикальная деформация слоя грунта после первого прохода гусеничной машины _ _

Е, кПа hr, мм

р, кПа

45 60 75

400 22,25 29,37 36,36

600 11,92 15,8 19,62

800 7,64 10,14 12,63

Таблица 4 — Суммарная вертикальная деформация массива почвогрунта (глубина колеи) после первого прохода гусеничной машины_

Е, кПа И, мм

р, кПа

45 60 75

400 87,54 112,32 135,4

600 48,03 62,22 75,66

800 31,22 40,68 49,74

Далее определяем глубину колеи по формуле (19).

Расчётные значения глубины колеи при многократном прохождении машины по волоку представлены в виде графика на рисунке 4.

Для определения вида аппроксимирующего выражения и величины достоверности аппроксимации (R2) использовалась программа Excel. Полученная теоретическая кривая описывается логарифмической функцией вида: h = 31,22 ■ Ln(N) + 31,22.

Рисунок 4 - Теоретическая кривая зависимости глубины колеи от числа проходов трактора

10 N

Согласно исследованиям Я.С. Агейкина, удельная работа колееобразова-ния после N проходов определяется по формуле:

(■V

Аы = ЬЬ $ рс1И,

(22)

где Ь - длина волока, м; Ъ - ширина движителя, м;р — среднее давление на поверхность массива почвогрунта со стороны движителя, кПа; N - число проходов машины по волоку, А - глубина колеи, м.

Данные таблицы 4 можно представить в виде зависимости:

р =-21,83-0,2511 + 0,024Е + 0,0023НЕ, (23)

где Е - модуль упругости почвогрунта, кПа; й - глубина колеи, см; р - среднее давление на поверхность массива почвогрунта со стороны движителя, кПа.

Учтём зависимость глубины колеи от числа проходов (рисунок 4):

Ы = н(1) ■ + 1)-31,22- (1пЫ +1), (24)

где - глубина колеи, см.

Тогда, после подстановки (23) и (24) в (22) и интегрирования в пределах от 0 до для удельной суммарной работы колееобразования на 100 м колеи при ширине 2 6 = 0,8 м в зависимости от числа проходов с учетом размерностей, получим график зависимости работы колееобразования от числа проходов, представленный на рисунке 5. Минимальная длина волока принята согласно исследованиям Г.М. Анисимова.

Полученная зависимость описывается линейной функцией вида: А = 0,3481 • ЛГ ^+ 0,1114, при этом Р? = 0,9806.

Результаты моделирования показали, что для принятых условий глубина колеи после восьми проходов трактора составляет 96,14 мм, а работа колееобразования составляет 2,75 МДж.

А, МДж 3 2

-т-1-1-1-1-1-г

0 123456789Ы

Рисунок 5 - Теоретическая зависимость работы колееобразования от числа проходов трактора

ГЛАВА 3. МЕТОДИКА И АППАРАТУРА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ

ИССЛЕДОВАНИЙ

В разделе описаны задачи экспериментальных исследований, выполнено обоснование измеряемых показателей и характеристик, описано приборное обеспечение экспериментальных исследований, дано обоснование точности измерения, длительности опыта и числа измерений.

Объектами исследования в настоящей работе служат образцы дерново-подзолистой почвы и образцы грунта (суглинка).

Исследования по определению границ текучести и пластичности лесной почвы и грунта проводились в лабораторных условиях по ГОСТ 5180-84. Испытания образцов проводились с помощью балансирного конуса. Влажность почвы и фунта определялась способом высушивания пробы до постоянной массы по ГОСТ 5180-84. Исследования по определению сопротивления почвы и грунта сдвигу проводились в лабораторных условиях, по ГОСТ 12248-2010 на сдвиговом приборе методом одноплоскостного среза. Исследования по определению максимальной плотности и оптимальной влажности лесной почвы проводились в лабораторных условиях, по ГОСТ 22733-2002 с помощью прибора стандартного уплотнения. Модули упругости и деформации почвы и грунта определялись с помощью настольного рычажного пресса. Исследования по определению водопроницаемости лесной почвы проводились в лабораторных условиях по ГОСТ 25584-90. Исследования по определению глубины колеи и работы колееобразования от числа проходов трактора проводились на лесосеке, находящейся в квартале № 95 Морозовского военного лесничества во Всеволожском районе Ленинградской области. В эксперименте использовался гусеничный трактор ДТ-75. Был выбран прямолинейный участок длиной 100 метров. Трасса была разбита на пикеты, в которых проводились измерения глубины колеи. Для измерения расхода топлива использовался мерный цилиндр. В крышке цилиндра сделано отверстие для топливного шланга. Мерный цилиндр служил вместо топливного бака и устанавливался в кабине трактора. Глубина колеи измерялась линейкой, время - с помощью секундомера. Обработка экспериментальных данных проводилась в программе Excel. Рациональное количество опытов (число измерений) определялось с помощью методов математической статистики.

ГЛАВА 4. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

На рисунке 6 представлены зависимости внутреннего сцепления частиц почвы и грунта от влажности. На рисунке 7 представлены зависимости внутреннего трения частиц почвы и грунта от влажности. Из графиков для почвы можно выделить три ярко выраженные области:

• Область № 1 (влажность почвы от 0 до 40%). Почва в этой области находится в упруго-вязком и пластичном состоянии. Графики в данной области представляют собой линейную зависимость.

• Область № 2 (влажность почвы от 40 до 50%) является границей перехода из упруго-вязкого и пластичного состояния почвы в текучее состояние.

• Область № 3 (влажность почвы более 50%). В области № 3 почва находится в текучем (переувлажнённом) состоянии. На рисунке 6 а график представляет собой параболическую зависимость, а на рисунке 1а - линейную зависимость. На рисунках б б и 7 б графики описываются линейной функцией.

с, МПа 0,06

0,04 0,02

О 10 20 30 40 50 60 70 80 W, %

а)

0 10 20 30 40 50 W,% б)

Рисунок 6 - Графики зависимости внутреннего сцепления от влажности:

а) почва; б) грунт: © - область № 1; Ф - область № 2; © - область № 3; 1 - экспериментальный; 2 - аппроксимирующий

Ф. 30

25 20

©

(D

0 10 20 30 40 50 60 70 80 W, % а)

0 10 20 30 40 50 W,% б)

Рисунок 7 — Графики зависимости угла внутреннего трения от влажности: а) почва; б) грунт: ® - область № 1; ® — область № 2; © - область № 3 1 - экспериментальный; 2 - аппроксимирующий

На рисунке 8 представлены экспериментальный и аппроксимирующий графики изменения плотности почвы в зависимости от её влажности. Полученные экспериментальные данные описываются полиномиальной функцией вида: Per =-0,0009-W1 +0,0188•»' + 1,2529, величина Л2 = 0,9967. Для суглинка оптимальная влажность составила fVonm = 18%.

Рсух, !>4

г/см3 1,3 1,2 1,1

О 5 10 15 20 25 30 XV, %

Рисунок 8 - Графики изменения плотности.почвы (рсух) в зависимости от её влажности (IV): 1 - экспериментальный; 2 - аппроксимирующий

На рисунке 9 представлены графики зависимости модулей деформации и упругости почвы от её влажности. На рисунке 10 представлены зависимости модулей деформации и упругости грунта от его влажности. Из графиков видно, что значения модулей деформации и упругости грунта на порядок больше значений модулей деформации и упругости почвы.

со

£ 2000 I 1600 шГ 1200 | 800 ш 400

0 10 20 30 40 50 УУ, % Рисунок 9 - Графики зависимости модулей деформации и упругости почвы от её влажности: 1 - модуль деформации; 2 - модуль упругости

20000 I 16000 12000 | 8000 Ш 4000

0 10 20 30 40 50 \Л/, % Рисунок 10 - Графики зависимости модулей деформации и упругости грунта от его влажности: 1 - модуль деформации; 2 - модуль упругости

На рисунке 11 представлена зависимость коэффициента фильтрации дерново-подзолистой почвы от её плотности. Из графика видно, что с увеличением плотности почвы с 0,77 до 0,93 г/см3 её водопроницаемость уменьшается многократно. Экспериментальные данные описываются степенной функцией вида: Кф = 0,0142 ■ /Г23'7", при этом Л2 = 0,9689.

Рисунок 11 - Графики зависимости коэффициента фильтрации (Кф) лесной почвы от её плотности (/>): 1 - экспериментальный; 2 - аппроксимирующий

На рисунке 12 представлены графики зависимости глубины колеи от числа проходов трактора. Расхождение теоретических и экспериментальных данных составляет 11%, что свидетельствует об адекватности разработанной математической модели. На рисунке 13 представлены графики зависимости работы колееобразования от числа проходов трактора.

Рисунок 12 - Сопоставление результатов расчёта с экспериментальными данными о развитии колеи при цикическом нагружении: 1 - теоретическая кривая; 2 - экспериментальная кривая

А, МДж 4 3 2 1 О

0 123456789К

Рисунок 13 - Зависимости работы колееобразования от числа проходов трактора: 1 - теоретическая кривая; 2 - экспериментальная кривая

Анализ кривых на рисунках 12 и 13 показывает удовлетворительную сходимость расчётных и экспериментальных данных. При этом отметим, что расчётные значения глубины колеи несколько превышают экспериментальные, что объясняется упрочнением почвогрунта в результате уплотнения под

1

1 ___<

ъ-—г \ 1

г"" ! -1-г 1 1 1

действием движителя. Это определяет перспективу дальнейших исследований, которые нужно направить на более детальное изучение изменений физико-механиеских свойств почвогрунтов в результате уплотнения.

Экспериментально были установлены: влажность почвы ^^50,1%) и грунта (\*ЛГГ=39%) на границе текучести, влажность почвы (\УРП=40,9%) и грунта (\УРГ=24%) на границе расскатывания.

Полученные экспериментальные значения физико-механических свойств почвы и грунта, после подстановки их в теоретические формулы подтверждают адекватность разработанной математической модели.

Рекомендации по минимизации экологического ущерба от воздействия лесных машин. Уменьшение экологического ущерба от воздействия лесных машин на почвогрунт необходимо вести по ряду направлений:

1. Организационное. Необходимо провести анализ структуры лесосечных работ по периодам года и лесным регионам; с экологической, экономической и социальной точек зрения определить целесообразность организации лесозаготовок на почвогрунтах переувлажнённых и с низкой несущей способностью.

2. Технологическое. Составление технологической карты и технологического процесса освоения лесосеки, должны базироваться на управлении экологическим ущербом, сводя его к минимуму.

3. Конструкторское. Исследования в данном направлении необходимо нацеливать на поиск и использование прогрессивных технических решений, а также оптимизацию параметров как отдельных деталей (например, звена гусеницы), механизмов, систем, так и машин в целом.

4. Эксплуатационное. На основании пункта № 56 действующих Правил заготовки древесины, утвержденных приказом Рослесхоза от 01.08.2011 г. № 337, который гласит «В равнинных лесах, при сплошных рубках без сохранения подроста в условиях типов леса, где минерализация поверхности почвы имеет положительное значение для лесовосстановления, площадь волоков не ограничивается» возможно освоение лесосек без строго заданной сети волоков. Таким образом, благодаря отказу от строго заданной сети волоков можно добиться более равномерного распределения грузовой работы и повреждаемости лесного почвогрунта. Это приведёт к тому, что лесные машины на большей части территории лесосеки будут существенно снижать негативные последствия на ле-сорастительные свойства почвогрунта. Оптимальное число проходов должно быть обосновано для каждой конкретной лесосеки в зависимости от физико-механических характеристик почвогрунтов на трассах волоков.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ

1. В процессе работы на лесосеках с переувлажнёнными почвогрунтами лесные машины, совершающие многократные перемещения по волоку, разрушают почвогрунт и образуют колеи. Колееобразование приводит к снижению рейсовых нагрузок, производительности машин, их преждевременному износу и выходу из строя, невозможности эксплуатации при достижении глубиной колеи величины клиренса машины, увеличению расхода топлива, возрастанию экологической нагрузки на природу.

2. Разработанная физическая и математическая модель процесса колееоб-разования при работе гусеничных лесных машин, с учётом неоднородности массива почвогрунта, позволяет исследовать процесс образования колеи и работу колееобразования при проходе гусеничных лесных машин по волоку.

3. Увеличение числа проходов лесных машин приводит к увеличению плотности почв, снижению водопроницаемости, перераспределению порового пространства, увеличению расхода топлива.

4. Зависимость коэффициента фильтрации дерново-подзолистой почвы от её плотности описывается степенной функцией. С увеличением плотности почвы с 0,77 до 0,93 г/см3 её водопроницаемость уменьшается в 68 раз.

5. Работоспособность волока обеспечивается при влажности лесной почвы в диапазоне от оптимальной влажности до влажности на границе текучести. Для дерново-подзолистой почвы оптимальная влажность 1Уопт = 10%, а влажность на границе текучести ШТ = 50%. Для суглинка оптимальная влажность №оп„ ~ 18%, а влажность на границе текучести \УТ = 39%.

6. Работоспособность волока для гусеничной лесной машины, работающей на дерново-подзолистой среднесуглинистой почве первой категории с клиренсом 0,5 метра и давлением на почвогрунт 75 кПа, составляет 14 проходов. Для уменьшения вероятности заболачивания лесосеки рекомендуется уменьшить число проходов машины по волоку.

7. Выполненные экспериментальные исследования подтверждают основные методические положения при реализации математической модели процесса колееобразования. Расхождение опытных и расчётных данных не превышает 11%.

8. Благодаря отказу от строго заданной сети волоков можно добиться более равномерного распределения грузовой работы и повреждаемости лесного почвогрунта, что поможет повысить проходимость, уменьшить вред, наносимый почвогрунту и уменьшить расход топлива лесных машин.

9. Перспективу дальнейших исследований представляет более детальное изучение изменений физико-механических свойств почвогрунтов в результате уплотнения, а также составление и реализация математических моделей, учитывающих изменение свойств почвогрунта при многократном проходе техники по волоку.

СПИСОК НАУЧНЫХ РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Лисов, В.Ю. Экспериментальное определение границы текучести и границы раскатывания лесной почвы / В.Ю. Лисов, В.Н. Язов // Научное обозрение. - 2013. - № 9. - С. 32-36.

2. Лисов, В.Ю. Экспериментальное определение водопроницаемости лесной почвы в зависимости от её плотности / В.Ю. Лисов, В.Н. Язов // Научное обозрение. — 2013. - № 9. - С. 45—49.

3. Лисов, В.Ю. Экспериментальное определение максимальной плотности, оптимальной влажности и осадки лесной почвы / В.Ю. Лисов, В.Н.

Язов // Вестник Поволжского государственного технологического университета. Серия: Лес. Экология. Природопользование. - 2013. № 4. - С. 50-56.

4. Лисов, В.Ю. Экспериментальное определение сопротивления почвы сдвигу / В.Ю. Лисов, В.Н. Язов // Учёные записки Петрозаводского государственного университета. Серия: Естественные и технические науки. -2013. - № 2 (131). - С. 66-68.

5. Лисов, В.Ю. Математическая модель процесса колееобразования при работе гусеничных лесных машин с учётом неоднородности массива почвогрунта / В.Ю. Лисов // Научное обозрение. — 2014. - № 5. - С. 61-69.

6. Лисов, В.Ю. Изменение расхода топлива в зависимости от глубины колеи // Современные проблемы и перспективы рационального лесопользования в условиях рынка: материалы Международной научно-технической конференции молодых учёных и специалистов. - СПб.: СПбГЛТУ, 2011. - С. 296-300.

7. Лисов, В.Ю. Оценка уплотняющего воздействия лесозаготовительных машин на лесную почву / В.Ю. Лисов // Леса России в XXI веке: материалы десятой Международной научно-технической интернет-конференции. - СПб. СПбГЛТУ, 2012. - С. 74-76.

8. Лисов, В.Ю. Применение в России лесозаготовительных машин иностранного производства / В.Ю. Лисов // Актуальные проблемы и перспективы развития лесопромышленного комплекса: материалы II Международной научно-технической конференции. - Кострома: Изд-во КГТУ, 2013. - С. 121-123.

9. Лисов, В.Ю. Применение шагающих харвестеров на лесозаготовках / В.Ю. Лисов // Молодые учёные — ускорению научно-технического прогресса в XXI веке: сборник трудов И Всероссийской научно-технической конференции аспирантов, магистров и молодых учёных с международным участием. — Ижевск, 2013.-С. 1228-1232.

10. Lisov, V.Yu. Determination coefficient filtration of forest soil / V.Yu. Li-sov, I.V. Grigor'ev // European Science and Technology: Materials of the IV international research and practice conference, Vol. I, Munich, April 10th - 11th, 2013 / publishing office Vela Verlag Waldkraiburg - Munich - Germany, 2013. - P. 268-274.

11. Lisov, V.Yu. Determination maximum density of forest soil / V.Yu. Lisov, V.N. Yazov // Science and Education: Materials of the III international research and practice conference, Vol. I, Munich, April 25th - 26th, 2013 / publishing office Vela Verlag Waldkraiburg-Munich-Germany, 2013.-P. 129-133.

12. Lisov, V.Yu. Reduction of fuel consumption of forest machines by reducing the depth gauge trail / V.Yu. Lisov// Science, Technology and Higher Education: Materials of the II international research and practice conference, Vol. II, Westwood, April 17th, 2013 / publishing office Accent Graphics communications - Westwood -Canada, 2013.-P. 177-185.

Просим принять участие в работе диссертационного Совета Д 212.008.01 или прислать Ваш отзыв на автореферат в двух экземплярах с заверенными подписями по адресу: 163002, Россия, г. Архангельск, наб. Северной Двины, 17. Учёному секретарю диссертационного Совета Д 212.008.01.

ЛИСОВ ВЛАДИМИР ЮРЬЕВИЧ АВТОРЕФЕРАТ

Подписано в печать с оригинал-макета 27.10.14. Формат 60x84/16. Бумага офсетная. Печать трафаретная. Уч.-изд. л. 1,0. Печ. л. 1,25. Тираж 100 экз. Заказ № 137. С 4 а.

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