автореферат диссертации по технологии, машинам и оборудованию лесозаготовок, лесного хозяйства, деревопереработки и химической переработки биомассы дерева, 05.21.01, диссертация на тему:Снижение отрицательных последствий от воздействия трелевочных систем на лесную почву

У1: 4о. С /.-■ ... ?

Санкт-Петербургская государственная лесотехническая академия им. С. М. Кирова

На правах рукописи

Большаков Борис Михайлович

СНИЖЕНИЕ ОТРИЦАТЕЛЬНЫХ ПОСЛЕДСТВИЙ ОТ ВОЗДЕЙСТВИЯ ТРЕЛЁВОЧНЫХ СИСТЕМ НА ЛЕСНУЮ ПОЧВУ

05.21.01 - Технология и машины лесного хозяйства и лесозаготовок

Диссертация в виде научного доклада на соискание ученой степени доктора технических наук

Президг

I < _

(решение оч присудил

Г-е-ж»*-

_ лау*

Началь К , Санкт-Петербувд-

.-У

С / '-Ь-Ч..

Работа выполнена в Санкт-Петербургской государственной лесотехнической академии на кафедрах: «Сухопутного транспорта леса», «Технологии лесозаготовительных производств», «Лесных и гусеничных машин»

ОФИЦИАЛЬНЫЕ ОППОНЕНТЫ

РОССИЙСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ БИБЛИОТЕКА

11

- доктор технических наук, профессор КУРЬЯНОВ В. К..

- доктор технических наук, профессор КОТИКОВ В. М.,

- доктор технических наук, профессор КОЧНЕВ A.M.

ВЕДУЩАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ

- Карельский научно-исследовательский институт лесной промышленности, КарНИИЛП, г. Петрозаводск

Защита диссертации заседании диссертациом-государственной лесоп г. Санкт-Петербург, заседаний).

29 декабря 1998 г. в 11 часов на "0.0! Санкт-петербургской ■. М. Кирова (194021, шое здание, зал

С диссертацией « -¡¡отеке академии.

Научный докл^

Ученый секре Совета, докк профессор

симов

ВВЕДЕНИЕ

Правительство Российской Федерации уделяет большое внимание сохранению окружающей среды. Утвержденное Постановление N1414 от 11.11,96г. Председателем Правительственной комиссии по науке и технике «Критические технологии Федерального уровня» содержит раздел «Экология и рациональное природоиспользование», .в который включены следующие критические технологии: «Технологии реабилитации окружающей среды от техногенных воздействий» и «Технологии минимизации экологических последствий трансграничных воздействий».

Следовательно, снижение отрицательного воздействия трелевочного трактора и древесины на лесную почву можно рассматривать как фрагмент критических технологий Федерального уровня - «Технологии минимизации экологических последствий трансграничных воздействий».

Теорией взаимодействия лесосечных машин и трелевочных систем (трелевочный трактор - пачка древесины) с почвой занимаются как механики с технологами, так и лесоводы с почвоведами, но в исследованиях отсутствует главное - взаимопонимание. Можно утверждать, что не разработаны научно-обоснованные методы, показатели для оценки и прогнозирования экологических последствий от воздействия машин и древесины на лесную почву с учетом ее свойств, условий эксплуатации, рельефа местности, способа трелевки древесины, режимов движения, тенденций развития параметров и технологических решений переспективных лесосечных машин.

Лесоводственные требования к технологическим процессам рубок ухода и лесосечных работ (1993г) рекомендуют удельное давление при нормальной нагрузке для машин с колесными и гусеничными движителями, а ГОСТ 26955-86 «Техника сельскохозяйственная мобильная» регламентирует максимальное давление движителей на ночву при различной се влагоемкости.

Отрицательные последствия от воздействия лесосечных машин и щы на лесную почву превратилось в сложную и важную научно-'ую проблему экологического характера. Внедрение тяжелых .ациошшх лесосечных машин высокой энергонасыщенности и ■аение рубок в регионы с почвами имеющими низкую несущую гь могут обострить экологическую проблему или уменьшить механизации труда и операций, если не разработать достоверные, основанные методы оценки последствий для почвы от ~ «ия современных и перспективных машин. Назрела острая необ-гь в разработке научно-обоснованных методов оценки уплотняю-

щих воздействий трелевочной системы на лесную почву на основе выбора трассы волока с учетом его склона, числа проходов, объема и способа трелевки пачки древесины, равновесной плотности почвы, позволяющих минимизировать уплотнение почвы при разработке лесосек. Решение этой сложной научно-технической проблемы, имеющей важное народнохозяйственное значение, будет содействовать разработке критических технологий Федерального уровня - «Технологии минимизации экологических последствий трансграничных воздействий».

Изменчивость и черезвычайная сложность среды функционирования лесосечных машин, особенно машин первичного транспорта леса, режимы работы которых определяются почвенно-грунтовыми, рельефными, производственными, таксационными и атмосферно-климатическими факторами, усложняют методы научного проникновения при решении проблемы.

Цепь исследования - минимизация уплотнения почвы и разрушения ее структуры от воздействия трелевочной системы при разработке лесосеки путем обоснования выбора трассы трелевочного волока, числа проходов трактора, рейсовой нагрузки и способа трелевки древесины с учетом физико-механических свойств почвы, угла склона волока и параметров гусеничного движителя.

Научная новизна исследования заключается в следующем: разработана и исследована механико-математическая модель взаимодействия трелевочной системы с волоком, учитывающая угол склона волока, физико-механические свойства лесной почвы, пронизанной древесиной, объем рейсовой нагрузки и способ трелевки древесины, позволяющая вскрыть сущность процессов, возникающих в системе «гусеничная трелевочная система - волок»;

предложена и разработана новая концепция выбора трассы волока и числа проходов с учетом равновесной плотности почвы, объемди способа трелевки пачки древесины, параметров гусеничного движителя на основе эксперементально-теоретических методов, позволяющая минимизировать уплотнение почвы трелевочной системой при разработке лесосеки.

разработана методология управления уплотняющим воздействием движителя на лесную почву.

Объект исследования - лесосека с ее рельефом местности, физико-механическими свойствами почвы и гусеничная трелевочная система. Для обоснования трассы волока и минимизации уплотнения почвы трелевочной системой при освоении лесосеки разработан мобильный измерительный комплекс (МИК) - машина высокой проходимости с бортовым компьютером, включающим микропроцессор, датчики для преобразования неэлектрических величин в электрические,

перепрограммированное постоянное запоминающее устройство (ППЗУ), регистрирующее устройство, клавиатуру. ,,

Апробация работы.

Основные положения и результаты исследования и отдельные его разделы докладывались и получили одобрение на научно-технических конференциях С-Пб ЛТА в 1986, 1987 и 1995 гг; заседании совета Европейской программы "Эврика" (Лесная инициатива по России) г.Брюссель 1996 г.; на международном семинаре по лесному комплексу г. Зволен, Словакия в 1997г.; научно-технических советах КомиГипроНИИлеспром в 1988, 1994, 1998 гг.; научно-технической конференции по лесному комплексу Коми АССР, г. Сыктывкар 1988 г.; семинаре по проблеме лесного машиностроения на международной выставке "Лесдревмаш-98", совещании по проблеме развития научно-технического прогресса в лесопромышленном комплексе в Минэкономики РФ 10 сентября 1998 г.

Реализация работы.

Результаты исследований использованы при разработке перспективных движителей лесозаготовительных машин при реализации Федеральной программы развития лесопромышленного комплекса по договору с Минэкономики РФ № 3-02Б от 27.11.97 г. "Разработка и освоение серийного производства гусеничных лесопромышленных шасси и лесозаготовительных машин на их базе".

Научные положения, рекомендации и выводы исследований включены в Федеральную целевую научно-техническую программу "Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития науки и техники гражданского назначения" в подпрограмме "Комплексное использование древесного сырья" проекты:

Н05.001 "Разработка природощадящих технологий и обоснование параметров комплектов машин для рубок главного пользования, рубок ухода за лесом и транспорта древесины";

Н05.005 "Разработка экологически совместимого с лесной средой высокоэластичного гусеничного движителя для лесопромышленных и лесо-хозяйствекных машин XXI века" Руководитель проектов Б. М. Большаков.

Публикация. Научные положения и результаты диссертации обобщены и изложены более чем в 50 печатных работах, в том числе в 4 монографиях.

Значение для теории и практики результатов сследования.

Математические модели и методические обоснования трассы волока, объема и способа трелевки пачки древесины, позволяющие минимизировать уплотнение почвы трелевочной системой при разработке лесосеки, расширяют теорию технологии лесозаготовок. Новая концепция взаимодействия трелевочной системы с крутосклонным волоком, математичс-

скне модели физико-мсханичсских свойств лссной почвы и уплотняющего воздействия на нее трелевочной системы значительно углубляют теорию движения трелевочного трактора при трелевке древесины.

Методология управления уплотняющим воздействием движителя на лесную почву, передвижной измерительный комплекс, эксперсментально-теоретнческий "экспрссс-мстод" получения информации об уплотняющем воздействии трелевочной системы на почву позволяют до начала разработан лесосеки сформулировать организационно-технологические мероприятия при которых будет достигнуто минимальное уплотнение почвы.

На защиту выносятся следующие научные положения:

1. Математическая модель и методика прогнозирования числа проходов трелевочной системы по допустимой глубине колеи;

2. Новые концепции теории взаимодействия трелевочного трактора с волоком - воздействие трелевочной системы на почву при трелевке древесины по крутосклонному волоку;

3. Математическая модель твердости и плотности лссной почвы, пронизанной древесиной;

4. Показатели оценки воздействия трелевочной системы на уплотнение почвы;

5. Методология и экспсримсктально-тсорстический метод минимизации уплотнения почвы трелевочной системой при разработке лесосеки.

I. СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

В конце XIX века появились первые научные исследования по теории взаимодействия рабочих органов сельскохозяйственных машин и орудий с почвой. Создавалась новая техническая дисциплина - земледельческая механика, основоположником которой в России и за рубежом считают В.П.Горячкина. Исследования были нацелены на повышение качества обработки почвы и снижение энергоемкости процесса.

Базисными научными трудами по прогнозированию показателей физико-механических свойств грунта можно признать работы Агейкина

A.C., Бабкова В.Ф., Березанцова В.Г., Бируля А.К., Баловнева В.Н., Беккера М.Г., Вонга Д.Ж., Гегбург-Гейбовича A.B., Домбровского В.В., Зеленина А.Н., Иоффе А.Ф., Ишлинского А. Ю., Иванова H.H., Качинского H.A., Керова И.П., Кравцова Е.А., Русанова В.А., Ревута И.Б., Сиденко В.М., Терцаги К., Черкасова И.И., Цытовича H.A., и др., так как все последующие изучения воздействия движителей тракторов различного назначения и мобильных сельскохозяйственных машин на почву, особенно прогнозирование показателей, характеризующих ее физико-механические свойства, базируются в основном на этих исследованиях.

К фундаментальному труду по исследованию проблемы "ходовая система - почва - урожай" следует отнести книги Ксеневича И.П., Скотникова В.А., Ляско М.И. Большое внимание взаимодействию тракторов и сельскохозяйственных мобильных машин с почвой уделили исследователи Водянин И.И., Гуськов В.В., Кацыгин В.В., Кононов A.M., Русанов В.А., Опейко Ф.А., Панов Н.М., Золотаревская Д.И., Юшик A.A., Уткин-Любовцев A.A. и др.

Воздействие лесосечных машин и древесины на лесную почву и среду исследовали д.т.н. Анисимов Г.М., Александров В.А., Андреев

B.Н., Бартенев И.М., Добрынин Ю.А., Жуков A.B., Ильин Б.А., Котиков В.М., Кочнев A.M., Курьянов В.К., Кувалдин Б.И., Меньшиков В.Н., Патякин В.И., Силуков Ю.Г., Салминен Э.О., Редькин А.К., Горбачевский В.А., Аболь П.И., Андрюшин М.И., Виногоров Г.К., Ермольев В.П., Прохоров Л.Н., Рыскин Ю.Е., Слодкевич Я.В., Стрельцов Э.К., Шеховцев Д.И., Рогалюк Л.А., Фаденков A.A., Шитов В.Н. и др.

Разработано и исследовано большое число математических моделей определения основных показателей физико-механических свойств грунта и почвы. Характерной особенностью этих моделей является сложность их структуры и большое число трудноопределимых вспомогательных показателей. Такие математические модели обладают повышенной адекватно-

стью, но их применение возможно лишь на весьма ограниченной почвенной площади леса условиях при проведении научно-исследовательских работ, поэтому они представляют, можно сказать, "академический интерес".

Научные коллективы под руководством д.т.н. Ксеневича И.П., Водянина И.И., Хабатова В.Ш., Панова И.М. и др. проводят интенсивные исследования по прогнозированию показателей физико-механических свойств грунтов и почв, их паспортизации, оптимизации машино-тракторных агрегатов, силовых установок и двигателей. При взаимодействии ходовых систем сельскохозяйственных тракторов и машин с почвой она рассматривается как опорная поверхность, обладающая бесценным свойством - плодородием. Считается, что если рассматривать почву как среду, только обеспечивающую реализацию тягового усилия машины, то последствием такого подхода будет переуплотнение, разрушение структуры почвы, эрозия, ухудшение плодородия и снижение урожайности сельскохозяйственных культур.

Исследователи сельскохозяйственных тракторов - Ксеневич И.П., Скотников В.А., Ляско М.И. - считают весьма надежными эксперементальные и расчетно-эксперементальные методы оценки уплотняющего воздействия движителей на почву (ГОСТ-26953-86 и ГОСТ-26954-86). Но эти методы требуют сложных экспериментов. Эти же исследователи считают, что общая тенденция в методах оценки свойств почвы - разработка упрощенных математических моделей для определения показателей, установления их кореляционных зависимостей и применение экспресс-методов получения информации для построения характеристик почв.

Разработанные математические модели уплотнения почвы движителями тракторов и сельскохозяйственных мобильных машин можно применять для оценки уплотнения лесной почвы только после значительной трансформации с учетом свойств трелевочной системы и лесной почвы, режимов работы трелевочного трактора и склона волока.

Ляско М.И. в своих работах показал, что с учетом требований ГОСТа-26955-86, действие которого на всю выпускаемую технику распространяется с начала 1996г., многие модели колесных тракторов, в том числе и за рубежом, не могут быть допущены к работе в весенний период. Анализ взаимодействия лесосечных машин с почвой и средних давлений движителей на нее выполненный Рыскиным Ю.Е. и Андрюшиным М.И., показал, что аналогичная ситуация возникает и при освоении лесосек. Главная причина - отсутствие научно-обоснованных показателей и методов оценки и прогнозирования уплотняющего воздействия лесосечных машин и древесины на лесную почву.

российская

ГОСУДАРСТВЕННАЯ

бйблиотша

Панов И.М. отмечает, что в исследовании взаимодействия движителей с почвой применяются классические механико-математические методы. Работы, начатые Покровским Г.И. по исследованию почвы как макроскопической среды с применением теории вероятности, не получили дальнейшего развития.

Квалифицированный анализ влияния лесосечных машин, технологии и организации лесосечных работ на почвенный покров лесосек проведен в работах Ермольева В.П., Виногорова Г.К., Зимина В.Ф., Прохорова Л.Н., Рубцова М.В., Шеховцева Д.И., Гугелева С.М., Савицкого В.Ю. и др. Определены факторы, влияющие на степень «нарушенности» лесных почв; к ним относятся, способы и сезонность рубок, технология лесосечных работ, несущая способность, физико-механический состав и влажность почв, характеристики машин (давление, движитель, выполняемые операции). Следует заметить, что к числу факторов, влияющих на "нарушенность" почвы исследователи не относят характеристики скелета корневой системы, включенного в почву.

Савицкий В.Ю. и Гугелев С.М. утверждают, что на одном ограниченном участке любого волока наблюдаются различные виды повреждений: значительное уплотнение почвы (колеи); минерализация (перемешивание минеральных горизонтов), перемешивание надпочвенной растительности с верхним горизонтом; сдирание подстилки. Это очень важные положения.

Ермольев В.П., Виногоров Г.К. установили положительное влияние минерализации поверхностного слоя лесной почвы на естественное лесовозобновление. Эти же исследователи доказали ряд весьма ценных для дальнейших исследований положений: при трелевке за комли крона пачки не создает нормальных нагрузок на почву; плотность почвы в валиках волока существенно меньше, чем в колее; при возникновении ограничения но сцеплению движителя с почвой гр