автореферат диссертации по транспортному, горному и строительному машиностроению, 05.05.03, диссертация на тему:Влияние использования снегоходных машин в весенне-осенний период на изменение урожайности растений

НРШЕгигидиКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ

УНИВЕРСИТЕТ

I_I ч т—Г —\ Т—> •—I :Г X 7- ТЛ 1—Г т /г т /г

на. нрсизал рулииун^и

П-^^тгтглл ТТТ Т-Г^ Т-М-^-ТТ

иал-И^ц^хз ¿г мар ч

Л ГТТТ/' /Г О П 1

^ Дх\. ол ;? . ±

ООО

и оо

- /Г о с

; иг. ^

(Л о

Т> ТТТ/ГГГТТТ/ГТГ' ТЛЛ^ТТЛМТТ ПЛП 7\ ТТТ/ГГГЛ^ГТТ7|"П/^^Т%ТТТТТ XV 1\/Г7\ ТТТТ/ГТТ ОЛУХ/ИТ-УШ илидпдл ГиГШХУЦП.

В ВЕСЕННЕ-ОСЕННИЙ ПЕРИОД НА ИЗМЕНЕНИЕ УРОЖАЙНОСТИ РАСТЕНИЙ

Г'т-г ттт,т ттт ПС ПС ПО ТУ ^ ТТЛ т тт тл т л- -г-, т т л т т т тт т т тт т ^

к/11сциалвпиить и о . и ^ . и ^ . ~1\иЛСОИШС VI Х'У ЬСХШ^ИЫС

машины

ТТТЛ гч Г\ ■Уч ГП "Л Т Т ТУГ гт

¡¡-^У! ^ 'с; х а. .и,ух гх

на соискание учёной степени кандидата технических на^к

т т

гхауЧНЫИ руКиВидИТело

академик Академии Транспорта России доктор технических наук профессор Куляшов А.П.

ТТт»™тТттт"» ТТ„т.т,„„„„ "1 ППО Г1У1Ж1ЛУ1У1 пивх'ирид ± У о

Г'ГЛТТТР П^Л итлтр £ л^гихухи

Перечень основных сокращений

и условных обозначений................... 6

Введение.................................14

1.Обзор литературного материала

и постановка задач исследования........19

1.1 Обзор исследовании по вопросу жизнедеятельности растений в весенне-осенний период зимовки.....20

1.2 Состояние исследований по теории взаимодействия движителей с опорным основанием.................27

1.3 Кратким анализ научных работ, посвященных изучению физико—механических свойств снежного покрова...........41

1.4 Цель и задачи исследований.........49

1.5 Структура работы...................52

2. Исследование изменения физико-механических снежного покрова при воздействии на него транспортных средств в весенне—осеннии

ПОПМПП щл

...........................

2., 1 Математические модели взаимодействия

различной вездеходной техники со

снежным покровом, находящимся под

действием положительных температур55

2.2 Описание климатических факторов, воздействующих на снежный покров

в весенне-осенний период...........64

2.3 Изменение плотности снежного покрова

в процессе таяния..................70

-J J

2.4 Зависимость влажности снега от величины температурного потока......SQ

2.5 Температура и теплопроводность снежного покрова в процессе таяния..89

2.6 Зависимость твёрдости и жёсткости снега от величины температурного потока...91

2.7 Изменение фрикционных свойств снега

JD liej^yH-IfLI, 'Х'С1Л.П.У1Л ....................

9 Я VmnuuûuTAû И^ЗГПОАЛЗ ттлиог'ь'лтл i\/rrs TTQ ггтл

' . и '---' -J. J. J. 1----- lli± ____4_* J. '_V__- ________j/ ± _1 ■_- *—.. J. V -L J_v_L W fi—1] '--и ± J/ ±

взаимодействия вездеходных машин со снежным покровом, находящимся в

процессе таяния...................99

2.9 Выводы по главе.....................114

3. Теоретические исследования экологических последствий изменения физико-механических параметров снежного покрова в

весенне-осенний период.................116

3.1 Анализ причин изменения урожайности

растений в период таяния снежного

-, 111

nurvjJUDo ............................xi /

9 Mqmououmo n-non/TQUM m2 aur/ra пцотоппл

. jrA._» J- X A.JT 4. U^/ ________________U- l^t S J. J. J. ^ Д. ^ X J__L X_V^

покрова при уплотнении его движителями

внедорожной техники................122

3.3 Изменение урожайности растений, связанное с предохраняющими от заморозков свойствами снежного покрова............................ 129

3.4 Процесс дЫни^акия корней растении вследствие образования термодинамической аномалии

на месте не растаявшего участка снежного покрова...................137

3.5 Изменение содержания азота в почве

О У . •

И Ур ОЖа. ИНОС "Г И раСТвКИИ ххОД У П j iui'H6H НЫМ \гия ги^^иллп тгг^т^тлгм^ хз 1 ЛА

У -L V—4. J. xt. V_' X J. Ч—' J±S.± J. -1_ Л X V/ X ЧУ i-> • ^ ^

3.6 Особенности экологических последствий применения снегоходной техники в осенний период......................147

3.7 Общая структура математической модели прогноза экологических последствий применения снехюходнои техники в

ROfOUUO-Г\/~> СЫ11ЛЛТЛ ГТОГЛТ/Т/О TT 7 47

J_' >-- V^ ___J. i X -L \____ч^ *—' *______________J. J.J. JV^ J^ Д. W ji-lj ............. «dfe

3 . 8 Выводы по главе 15 7

4. Экспериментально-теоретические исследования влияния параметров движителей снегоходной техники на окружающую среду в период

таяния снежного покрова...................160

4.1 Исследование изменения параметров колеи транспортных средств в снежном покрове, при воздействии на него положительного температурного

потока.............................161

4.2 Исследование влияния изменения

физико—механических параметров снежного покрова на изменение биомассы растений...........................173

4.3 Изучение влияния параметров ходовых систем внедорожной техники на урожайность растений в период

таяния снежного покрова............181

4.4 Оценка адекватности математической

и

модели экологических последствии взаимодействия движителей вездеходных машин со снегом....................189

4.5 Выводы по главе....................199

Выводы по работе.............................202

Литература...................................206

Приложение 1 Краткое описание и технические

характеристики элементов

| | ^ О

дБИЖИТелсИ . ................................. с

ТТТ-ЧТ/Г ТТ "ЧС /~\ ТТТ/Г / 1\Л/~\ ГП ТТТ/Г Т/1 О ГГУЛ Г\ ТТ/~Ч Т Т Т/Г ГТ Т/Г/^ГГГ ТГП О Т Т Т/Г Т/Г ООП

х хрух.лх дл.О'хс; ^ пс х идаихи хх^ ^ х-> ^ пил хль ^хххэх х. ся хи'хх'х . . . .

Приложение 3 Описание и технические

характеристики приборов и оборудования для проведения экспериментальных исследований......................241

перечень иипивпшл

и условных обозначений. п -плотность снежного покрова

г-

@ -суммарная величина теплового потока, на-

правленная к снежному покрову у -коэффициент бокового расширения материала

(коэффициент Пуассона)

д __т/1 л- ттт/Г /Л т т гл т -л /г-г—г ■»•""ч —* гпт гул т т -т~» ^ /~ч ттттл*у-\ /"V ттт К *~т

р^ гу ^ о VI и, ух с; п а' ■ х- с IV!! 1 е: ^ а.'х" у р» га ^ х • ^ а. ^ п±У1 ^^ ш/ип

Y

'СО

Pffl Рг

Н-у

Фаг Фа

-vnnn rh^/фпрннрлп тти^нтдст ппппнгтпп плипиянма

J ч- — .Л. W W i X - i W J.J. „ J— ü „ W W W -W .4. » / i

-ъг'^огьгьт/гттт/то.игп иаиэ пиилм ■ж'О^тъ-пРФТ/г г^ио-пз

J. —' V-f-^ M*1" L 1—4 X ' и A J. Д. 1—L -1. "___ U x. J—' J. J. ^—' It J. -/J.\. *—- -1. J. 1—• J< I *__' X J. >w -i- t

о -иппп нд'К'плид ппвопуцпг'тм тчитттд т=> ттттгта д ит/г сг оивпя

^ 1Л X X X X X X X X Ч/ ' ' ^ л. X X V/ и. Л- X •1_/Хг£—I, -1—' и/ X X Л-Л. X X Л> Л. * X X X N___ Ч-Ч.

к направлению движения ^ -теплопроводность снежного покрова

у -кинематическая вязкость снежного покрова

п -коэффициент экстинции снежного покрова

I

£ -коэффициент пористости снежного покрова

п -величина деформации движителя

б;» -величина температурного потока, затрачивае-

мая на фазовые превращения снега и воды -плотность воды

-плотность скелета снежного покрова (льда)

-распределённая по поверхности удельная сила трения

-динамическая вязкость воздуха

W — 1/г гчтплигл-лтл utihit гппоитда tro >э a тзт/гг1 сгттттатл- r^m таотттл —

- • - .................. i ^ _i_ W W J. -1. •■_■ J. X J< i. S Л. f J.J. ___-_I V^i. J—. J/ J. J J. I I ill J- J-' J. A

чины нагрузки - начальный и при некоторой влажности

IV

Г'

СТО

Ро Ц1

Р1

По

I

рь

Ргр

6,

(У

погл

0

гяд

^удд

Ь

г-- I г, \ ^ \ ^ /

х г

Ьшт

~£>слИмИНа пилпяхии ^ви^и.дпиИ дисс^лни^хи

почвы,- под действием сил выдавливания -наклон трассы движения техники

-напряжения в опорном основании естественного залегания -начальная плотность снежного покрова

-динамическая вязкость воды

-плотность снега под колеёй

-плотность снега, затронутого процессами эскавации

-плотность снега в зоне выдавливания

-величина контактных напряжений между опорной поверхностью и элементом движителя —нормальные напряжения в опорном основании,

направленные по осям х и г -плотность грунта

-угол между грунтозацепами, при выходе последних из зоны контакта со снежным покровом

" £5С:ЛУ1ЧУ1Х1С1

лу чую х-и ух

<3 Х1ерХ'У1У1 !

и.иХ'Ла.хЦеХ1Х1иУ1

снежным покровом

-величина радиационного потока

-величина лучистой энергии, воздействующая на снежный покров

-глубина проникновения в снег солнечной радиации

-ширина зоны выдавленного снега -длина грунтозацепов -ширина штампа

о о

— гцух^и^у^уи^. и'хллухлсэ. реальпии ^УЮ'ГС^ХЫ

_ ТТТ/Г т-г т-ч /-чтут г-г ГЧ/ЛУМ^ТД АГГТ ттпп

х^ ^ 1 а.«зр^л'Хуа. иишхио

Ор,-Ьр -диаметр базового цилиндра и длина роторно-

винтового движителя БСр -средняя дисперсия серии опытов Бшт -диаметр штампа

Е —величина приложенной нагрузки

£ (х) —вероятность установления определённого температурного режима во время таяния снежного покрова

^(х) -плотность распределения вероятности наступления заморозков £2 (х) -плотность распределения вероятности интенсивности заморозков £3(х) -плотность распределения вероятности времени

Т*Пи/МГ^Т1ТЛ-Т Т—Г

ного покрова

£ц{х) -вероятность установления устойчивого снежного покрова после оттепели £5(х) -вероятности гибели растений в осенний пери-

6 д

ь

не ±

I

-масса транспортного средства -ускорение свободного падения -толщина ненарушенного снежного покрова

_ '—1 т т т*гт тут —> г—г т—I ттх г -г /г т т —1 т—г у т—I т^ч т т"\т/> '—> тп( гг гп —1 т т л—г ' > т т т '—> _

иташчсилал 1'лу х1и1,р|ул1СПУ1л храп^ии^тпи

го средства

-твёрдость снежного покрова -номер опыта

-концентрация микроорганизмов в почве

к;

1ГР ЬдВ

ДВ к

Т.

1т

т

■"Э

тахБп

п

1\Т хч ]_

Ы2

ч

Ош

и

я

Б л

— л^о'у^у^уилухс; плах'иприпицасши^хух ипсжпих'и —

крова

-коэффициент пропорциональности между поверхностью по которой происходит выдавливание воды и глубиной колеи "Временная константа

—ширина участка, подверженного термодинамической аномалии -шаг грунтозацепов движителя

- суммарная длина всех элементов движителя -длина элемента движителя

-длина деформированного участка поверхности почвы

-толщина слоя почвы, подверженного максимальным сдавливающим нагрузкам

_-1 п пглг* ^

^ о. ■ х^ г

жителя

-максимальное значение дисперсии -число опытов

_ТТТУГ^ТТ/"» ТУ! т-г -у^т тгчтг ГЛ П ГТТ ТТТ т-гт тт^л

^^или о* хх хсдли хххэхл ч^хххэхх ^хэ

-число теоретических опытов -число степеней свободы опыта Объём вытесненной воды

-радиус выхода поверхности движителя из зоны контакта со снегом с учётом коэффициента

Т Г ТЛ Т—I Л ТТТ* г—Г

У ГУ П> сип. VI л.

—поверхность на глубине зимовки растений, на

которой наблюдается изменение температуры -площадь поверхности, по которой происходит выдавливание воды

1 л ш

_ Т"> к-'Ч п Г—Г ТТ ТТ Т Л ГП ттт т г ттт т-туч т-г '—■ ТТ /■> Т Т Т Т '—- -п УЧ т—г Л^ТЛ1 /"Л тт -"-1

-}— _П1ТТТГТ -1 Т~> ^ Т"> /~\Т\ И/-\ит А ТТ ТТТТА -П Гч т "1ТДТЭ л ТТТ^ гг \ т т-г ТТ ГП _

од раошща хэр*зх«л^х1ух иилпи±-и ^х ау.шапу^л. уилих

нённого и неуплотнённого снега 1;л -продолжительность летнего периода

tп -время взаимодеиствия элемента движителя со

снегом

4— _». т-> /г ГГ т-т ТТТТГ»ТЮ ^ ГП —V ТЛ- ХЗ ^ ТТТ Л* СГ Г»тт С\ №11 -Г1 ТТ ТЭ ^

ХЭр^^хЛ ХХ^^ХХХ^Х'^ X СХХ'ХХЗСЯХХУХ/Ч. ^пслши± и X X ХХр О СЯ

П -коэффициент изменения биомассы растений

у„ -скорость просачивания жидкости через снеж-

ный покров

Уа -скорость деформации снежного покрова

Т 7 — Т/1 ллтг ТТ Т-э Т^ЧУЛ Т ТТЛ- гт тп Л Т1/^П т ТТ ^ Т-1 ЛТТО ГП Т5 о

V грс ч^хл-ч^р^^ х-хэ ^^ухлх^згхухуТ. храпонир хпих'^ ^^»ОгЦ^ х хзся

№ -влажность снежного покрова

№1 -влажность снега под колеёй

-влажность снега в зоне, затронутой эска-вационными процессами

ГдТ _ Т"> ТТ ■\Т"Т Т ГП Т ПТТ АТ1-1 Т") ПАТТЛ ПТ ТИП П ТТТУГ Т2 ТТТЛ" Т

X ХЭ ОПСХО £Э оипс ХЭХЭХ.ЦСЮ^ХХ'ХХРСиЛ.Х'ХЛ.

ТлГт^ -теооетичестсая кпитическая влажность

снежного покрова ^КрР -экспериментальная критическая влажность X -среднеарифметическое значение результатов

измерения.

х, г -координаты рассматриваемой точки X! -значение результатов измерения

У -коэффициент снижения урожайности

Ъ\ -х'луиИНа распространение ддеу^ОрМаЦИИ а СНеЖ-

ном покрове

г2 -толщина слоя эскавационной осадки движителя

-глубина погружения штампа

в В'

Вк

ТР ill

к

к...

- -I,.

Кя

А —коэффициент отражательной способности снеж-

ного покрова (альбедо) а -коэффициент температуропроводности

АугBv -эмпирические коэффициенты, описывающие процессы «нагрузка-осадка» и «нагрузка-сдвиг» для снежного покрова -ширина опорной поверхности движителя -недеформируемая поверхность движителя -ширина колеи

-модуль упругости материала (модуль Юнга) —коэффициент разрыхления снега -коэффициент невытесненного воздуха

- коэффициент изменения прочностных параметров снежного покрова при переменной влажности

-коэффициент соотношения масс уплотнённого и

т—i т т m АПТТ Т Т Т Т /"ч ~1—I ПТТА —1 _ ГГ1ТТ1 ТТ т ТТТ ТТЛ- Т А Т—V -f-ч т Л Т Т т/1 -—1 _

DDiXC^nCnnUlV I^ncx-Q Г1 CL Cl J X D STLOiVl. VI llj^Vl ПС

торой влажности -жёсткость снега

-теоретическое значение критерия Кохрена -экспериментальное значение критерия Кохрена

_ m -v-\ гптуг т т тл г~\ /~\ птт птглгтт,гС1 т/i т-\туг m v\ туг гт (^St/tttt/-n Т^у

ХСи^СХИЧ^илиС XX d ^ XX VI ^ ^VVIUX^^JCL

-экспериментальное значение критерия Фишера -эмпирический коэффициент, учитывающий влияние сжатых слоев опорного основания, лежащих на некотором расстоянии от рассматриваемого участка M -биологическая масса растений на исследуемом

участке jv^ -масса воды

-, р tt-BA tt-B

Кж Ккт

Ккэ

гг

Х^ФТ

Кфэ

Кэ

1 л

1/,

1\Д

п0

Мвк

Мк'

и

ИГР

Ег

Н,

Р

п

Рд

Ст/

_иИ^Ш1'ИЧсиКал Мй^с-й раьтсНИИ На уЧаСтКал, птти^гтптттт/г^Г'а т^пРПАтлг'ПРт/ттп фпянг'ПОЛФННУ

средств

-масса выдавленной корневой системы растений -общая масса корневой системы растений

_ ПТ ГТ1П ттттгу П 1ТТА Т-Г /"у Т} ТТП ТУГ'ЧТ/'ТЛ- гп /~ч тт гт

ОЕа^иха гр,упхиоадсиии ДОУ1/Ш/1ХСЛЛ

-высота площадок сдвига

-эскавационная глубина погружения

транспортного средства -вероятность события —величина давления сжатого воздуха -доверительная вероятность события -удельная теплоёмкость льда (скелета снежного покрова

г1 п

й

Ссс г Сс

Со, Сх, Сг/ Сз/ Ст, Сгх,

Кгрун г

^, А,к,

-соответственно удельная теплоемкость, плотность и температуропроводность воздуха, -связанность трущихся поверхностей - начальная и при некоторой влажности -удельная теплоемкость плавления льда (скелета снежного покрова)

-эмпирические коэффициенты, связанные с механическими свойствами оиорнохю основания/ описывающие зависимость «нагрузка—сдвиг»

( ' í* _ К-ч H Л*т—Г Т ÍVM* Т Т ТЛТ /Г ^ ТУ! УЧ Г^ /"К /"К Т Л" Т Т Т Л" Т Т ГПТ Т Т-1 (-т t—к -1 Т Т Т ТТ ГА я _

^-ти^НП, чс v^rvi/ic; rv^oy^yjyi.u.yieri'x-.Di, ^олоаппсгс ^ ivic;

П .. ХЛИПЧЕ Г". КЧУГМТЛ Г.ВПЙГ'.Т'ВЛМТ/Г ППППНПТ1П ОПНОВЛ НТЛ Я" .

^НПШ г и Г _ --- - - - - т. - - - -- - ---,

г описывающие зависимость «нагрузка-осадка»

^НнК/ "11

К,

г<

^о

Т.

Т Т Т Т /~Ч г

ПТТЛ «\Т/» ТТ /-Ч -П /""Ч

т

КР

гр

j-np

— ч^

Тсрс

У ■

У.

Уэ(Ю

\ т

j 3Í

Y

'иВлоапНиихЬ ^ 1ЮКрОВа

-температура нагрева снежного покрова, прямыми солнечными лучами

-температура на глубине зимовки растений, при которой происходит их полное вымерзание

_ ТТГМД Т"> ТТ УЧ ТТТТ Л ГТ ГП А Т\ ЛТТ А V4. —» ГПТ "1 ПАП ттт тчт

температура сиодула

-температура снежного покрова

-среднесуточная температура окружающего воздуха

-теоретическое значение функций для каждого и зме рения

-среднее арифметическое значение экспериментальных функций

-отклик реальной системы на параметры возмущения

-экспериментальные значения пункции

—величина деформации сдвига опорного основа-

ния

ВВЕДЕНИЕ

АКТУАЛЬНОСТЬ РАБОТЫ.

В последние годы, в связи с бурным развитием науки и техники, а так же ростом населения Земли, значительно возросла антропогенная нагрузка на природу. Возможности саморегуляции биосферы, в настоящее время, можно считать исчерпанными. Недавние экологические катастрофы, произошедшие в самых разных странах, доказывают это.

Поэтому, в настоящее время, все проекты подвергаются экологической экспертизе, а направления в науке разрабатывающие энергосберегающие технологии, повторную переработку отходов и тому подобные, выдвигаются на первые роли в своих отраслях знаний.

Так в области сельскохозяйственного машиностроения одним из главных направлений развития техники, является снижение уровня воздействия ходовых систем транспортных средств на почву, снижение их уплотняющего воздействия и тем самым сохранения урожайности сельскохозяйственных угодий.

Критерий экологичности так же является одним из важнейших, наряду с проходимостью и надёжностью для вездеходной техники работающей в лесной, нефтегазовой, строительной и других отраслях про-

мышленности. Однако из-за хорошей защищённости растительности и почв снежным покровом вопросами, связанными с повышением экологической безопасности снегоходной техники не уделялось достаточного внимания. Только в последнее время появились первые работы, посвящённые этой проблеме.

Кроме того, все основные работы, посвящённые взаимодействию транспортно-технологических машин со снежным покровом и проблемам возникающих при этом взаимодействии экологических последствий, рассматривают снежный покров, находящийся под действием отрицательных температур. Из опыта эксплуатации

снегоходной техники же известно, что около 15% времени зимнего периода приходится на оттепели и на процесс таяния снега, проходящий при положительных температурах. А растения начинающие или заканчивающие зимовку как раз и являются более подверженные риску вымерзания, чем те же растения, находящиеся в поле стабильно отрицательных температур. Поэтому работа, посвящённая проблемам вероятностной оценки применения снегоходной техники в осенне-весенний период, является актуальной.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ.

Создание методики расчёта, параметров взаимодействия движителей транспортно-технологических машин со снежным покровом, в зоне действия положительных температур, разработка расчётных схем, ме-

тодов расчёта и ограничения экологических последствий воздействия движителей снегоходной техники на окружающую среду в весенне-осенний период эксплуатации .

МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ.

В теорет�