автореферат диссертации по технологии, машинам и оборудованию лесозаготовок, лесного хозяйства, деревопереработки и химической переработки биомассы дерева, 05.21.01, диссертация на тему:Воздействие лесных машин на многослойный массив почвогрунта

ЯЗОВ Владимир Николаевич

ВОЗДЕЙСТВИЕ ЛЕСНЫХ МАШИН НА МНОГОСЛОЙНЫЙ МАССИВ ПОЧВОГРУНТА

05.21.01 - «Технология и машины лесозаготовок и лесного хозяйства»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

г 1 ноя 2013

005539056

Санкт-Петербург - 2013

У

005539056

ЯЗОВ Владимир Николаевич

ВОЗДЕЙСТВИЕ ЛЕСНЫХ МАШИН НА МНОГОСЛОЙНЫЙ МАССИВ ПОЧВОГРУНТА

05.21.01 - «Технология и машины лесозаготовок и лесного хозяйства»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург - 2013

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный лесотехнический университет

имени С.М. Кирова»

Научный руководитель Григорьев Игорь Владиславович

доктор технических наук, профессор

Официальные оппоненты Добрынин Юрий Андреевич

доктор технических наук, профессор кафедры теоретической и строительной механики ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный лесотехнический университет имени С.М. Кирова»

Марков Владимир Иванович кандидат технических наук, доцент, заведующий кафедрой промышленного транспорта и геодезии ФГБОУ ВПО «Петрозаводский государственный университет»

Ведущая организация ФГБОУ ВПО «Воронежская государ-

ственная лесотехническая академия», г. Воронеж

Защита диссертации состоится 13 декабря 2013 г. в 11 часов на заседании диссертационного Совета диссертационного Совета Д.212.220.03 при Санкт-Петербургском государственном лесотехническом университете имени С.М. Кирова/194021, Санкт-Петербург, Институтский пер. д. 5/

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

Автореферат разослан «12» ноября 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного Совета

Бирман Алексей Романович, доктор технических наук, профессор

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования. После Великой Отечественной войны, когда резко возросла потребность в древесине для восстановления разрушенного народного хозяйства, начали создаваться различные машины для лесной промышленности. При этом никто не обращал внимание на воздействие техники на лес. В основе лежала проходимость техники в сложных лесных условиях и производительность. На тот момент это было оправдано. Но по истечении многих лет лесозаготовители начали приходить на выработанные лесные участки, где, казалось бы, лес должен был восстановиться, но этого не произошло. Некоторые делянки оказались заболочены, на других изменился породный состав и скорость лесовосста-новления. Это связано с воздействием техники на лесные почвогрунты.

Все это предопределило актуальность исследований в области вопросов воздействия лесных машин на почвогрунты лесосек. Этими вопросом занималась большая плеяда отечественных и зарубежных ученых. Был проведен большой объем исследований, разработано большое количество более или менее работоспособных математических моделей деформации почвогрунта под воздействием движителей лесных машин. Однако в этих исследованиях не учитывалась многослойная структура почвогрунта, в котором каждый слой играет свою роль в процессах лесовосстановления.

Степень разработанности темы исследования. Диссертация представляет собой законченное научное исследование, включающее в себя изучение состояния проблемы, постановку цели и задач, теоретический анализ процесса деформации слоев почвогрунта под воздействием 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.

Целью диссертационной работы является уменьшение экологического ущерба от воздействия лесных машин на почвогрунты лесосек исходя из требований эффективного лесовосстановления.

Для достижения поставленной цели были сформулированы следующие основные задачи исследования:

• Дать классификацию и охарактеризовать слои лесных почвогрунтов;

• Разработать и исследовать математическую модель деформации слоев почвогрунтов лесосек под воздействием движителей лесных машин в зависимости от характеристик каждого слоя почвогрунта;

• Получить зависимости физико-механических свойств слоев лесных почвогрунтов от их влажности и плотности;

• Разработать методику экспериментальных исследований и обосновать необходимое число измерений для проведения экспериментов;

• Экспериментальным путем исследовать деформации слоев лесных почвогрунтов лесосек под воздействием движителей лесных машин в зависимости от влажности и плотности почвогрунтов;

• Получить данные об адекватности разработанных математических моделей.

• Разработать рекомендации, повышающие экологическую эффективность работы лесных машин.

Научная новизна работы. Разработана и исследована математическая модель воздействия движителя лесных машин на почвогрунты лесосек, отличающаяся учетом многослойности и различия физико-механических свойств отдельных слоев почвогрунта, которая позволяет определить его деформации, углубляет теорию взаимодействия лесных машин с поверхностью движения и уменьшает экологический ущерб от воздействия лесных машин на почвогрунты лесосек.

Теоретическая и практическая значимость работы.

• Разработанная математическая модель позволяет определять деформации слоев почвогрунта, возникающие под действием лесных машин.

• Получены зависимости модуля деформации, коэффициента фильтрации и угла внутреннего трения частиц слоев лесных почвогрунтов от их плотности и влажности.

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

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

Проблемой минимизации ущерба лесной экосистеме со стороны техники занимались многие отечественные ученые, данной тематике посвящен большой объем научных работ, среди них необходимо особо отметить работы Анисимова Г.М., Александрова В.А., Базарова С.М., Большакова Б.М., Герасимова Ю.Ю., Герца Э.Ф., Григорьева И.В., Добрынина Ю.А., Иванова В.А., Иванова Н.А.,Котикова В.М., Кочегарова В.Г.,Кочнева

A.M., Курьянова В.К., Меньшикова В.Н.,Никифоровой А.И., Патякина

B.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 процесса деформации слоев неоднородного по физико-механическим свойствам лесного почвогрунта под воздействием лесных машин.

• Зависимость угла внутреннего трения слоев лесного почвогрунта от их плотности и влажности.

• Зависимость коэффициента фильтрации слоев лесного почвогрунта от их плотности и влажности.

• Зависимость модуля деформации слоев лесного почвогрунта от их плотности и влажности.

" • Рекомендации, повышающие экологическую эффективность работы лесных машин.

Степень достоверности и апробация результатов. Достоверность результатов обеспечивается применением современных методов исследования, обоснованностью принятых допущений, обоснованностью методов расчета и моделирования, а также подтверждается экспериментальными исследованиями процесса деформации слоев лесного почвогрунта.

Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на: Девятой международной научно-практической Интернет-конференции «Леса России в XXI веке» (СПб, 2012 г.); the III international research and practice conference, Munich, April 25th - 26th, 2013 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»).

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

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

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА

В разделе рассмотрены лесные почвы и грунты, лесные машины. Показано воздействие лесных машин на почвогрунты лесосек, в частности уплотнение и колееобразование.

Проанализированы показатели и методы оценки физико-механических свойств грунтов и почв, методы определения характеристик прочности и деформируемости грунтов и почв.

Анализ НИР показал, что любое воздействие на лесной почвогрунт приводит к его деформациям. Эти деформации существенно меняют физико-механические свойства слоев. почвогрунта и сказываются на их лесо-растительных свойствах. Такие деформации надо учитывать при принятии решений по схеме разработки лесосеки исходя из требований минимизации экологического ущерба.

До сих пор нет четкого определения понятия «лесной почвогрунт», в связи с этим сделана попытка формулировки этого понятия: лесной почвогрунт - это сложная многослойная система, состоящая из нескольких органических и одного или нескольких минеральных слоев, с которыми движители лесных машин взаимодействуют одновременно.

2. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ДВИЖИТЕЛЯ МАШИНЫ С МНОГОСЛОЙНЫМ ЛЕСНЫМ ОСНОВАНИЕМ

При моделировании процесса уплотнения почвогрунта под воздействием движителя лесной машины широкое распространение получили математические модели, в рамках которых уплотняемый почвогрунт считается однородным. Однако в реальных условиях механические свойства почвогрунта изменчивы, при многократном проходе машины по волоку почвогрунт деформируется неравномерно и многократно.

Для составления математической модели принят закон распределения сжимающих напряжений в почвогрунте по оси 2 в следующем виде:

где д - давление на грунт; а, П - параметры, зависящие от геометрических характеристик штампа - а = 1 - ЫН, £>' - диаметр круга, равновеликого по площади штампу.

Модель предполагает, что основание представлено четырьмя слоями, обладающими различными физико-механическими свойствами (рисунок

Ч

(1)

штамп

Рисунок 1. Расчетная схема к модели деформирования лесного почвогрунта:

1 - частично перегнивший органический слой почвы; 2 - перегнивший

органический слой армированный корневой системой; 3 - слой перегнившей органики не армирований корневой системой; 4 - слой минерального грунта

Для учета изменчивости механических свойств почвогрунта примем плотность р, модуль деформации Е, внутреннее сцепление Со и угол внутреннего трения ^0виде функций от координаты г:

Р=А2)> £=£(4 С0 = С0(г)] сра (2)

Функции физико-механических характеристик от координаты ъ (глубина залегания слоя) построены с использованием единичной функции Хевисайда:

[0,£<0

Не(£) =

> О

(3)

и имеют следующий вид:

p(z) = px He(zj -z)+p2 Не(г2 - z\z - z,) + p3 He(z3 - z\z - z2 )+ Рл He(z4 -z\z-zj £(z) = £, He(z, - z) + E2 He(z2 - z\z - z, ) + E3 He(z3 - z\z - z2 ) + £4 He(z4 - z\z - z, )

Co(z) = C, He(z, -z) + C2 He(z2 --"))+С3Не1г3 -zX----r2) + C4 He(z4 " z\z ~ z3 )

?>(*) = »>, He(z, -:) + <P2 He(z2 -z\z-:^)+<p3 He(z3 - z\z - z2)+ p4 He(z4 - " )

где нижний индекс соответствует обозначению слоя по рисунку 1.

Суммарная деформация сжатия лесного почвогрунта находится по формуле:

К, = Ч i f

1 +

z

oD*

-dz,

E(z)

где к - толщина уплотненного слоя.

С увеличением нагрузки возрастает также часть деформаций, вызываемых сдвигом. Сдвиги приводят к перемещению штампа вниз вместе с формирующимся уплотненным ядром. Перемещение штампа вниз вместе с формирующимся уплотненным ядром при потере несущей способности увеличивает общую деформацию почвогрунта. Для учета данного фактора

умножим деформацию сжатия по (4) на выражение —^— Тогда для связи нагрузки с суммарной деформацией грунта нужно использовать формулу:

1

ч = -

1

1 +

z

аП

i\

-dz

E(z

(5)

<l(z) h

где qs(z) - несущая способность почвогрунта, которая определяется так:

qs{z)=X]b + X2+X3h, При этом вспомогательные величины для выражения (6):

(6)

X,=p(z)

2 k5Az)

k){z) \

X - Р

/W U 2 J

(7)

Для массива несущая способность определяется по формуле:

„ _ _

2arctg

л

(H-h)

2 £>'

(8)

Выражение h из уравнения (5) в аналитическом виде сопряжено с трудностями математического характера, поэтому интегрирование производилось численно с помощью специально составленной программы в пакете смешанных вычислений Maple.

Для проведения расчетов были приняты следующие исходные данные (таблица 1).

Таблица 1. Характеристики массива лесного почвогрунта

Номер слоя по рисунку 1 р„ кг/м3 К м Е„ МПа С0,/, МПа Ш<Ро.1

1 350 0,05 0,14 0,027 0,45

2 930 0,07 0,1 0,11 0,55

3 1200 0,06 0,26 0,05 0,35

4 1560 0,22 6 0,14 0,3

На рисунке 2 представлен пример функций физико-механических параметров слоев массива лесного почвогрунта, с которыми работает составленная программа.

р, кг/м3 Е, Па __6. . 10*1

<0

в)

б).

ой-

г) 04

0 2

2, М

2, М

Рисунок 2. Функции физико-механических параметров слоев массива лесного почвогрунта в зависимости от глубины залегания: а) - функция плотности; б) - функция модуля деформации; в) - функция внутреннего сцепления; г) - функция тангенса угла внутреннего трения

Для оценки плотности слоев лесного почвогрунта после воздействия необходимо, задавшись значением внешней нагрузки <з>, определить толщину деформированного слоя к по изложенной выше методике. Затем, по формуле (4), находится расчетное значение деформации сжатия Исж. Относительная деформация произвольного слоя массива почвогрунта находится по формуле:

/ л к

ггЫ =— 7 Я

(9)

Тогда вертикальное перемещение г-го сечения вызванное сжатием ЛйСЛС,можно найти по формуле:

= д(Н - г..)" Г--

- «V -о) j , ^ (10)

—7—V-62

Плотность слоя почвогрунта на произвольной глубине при этом найдется из равенства:

Ж)

1- I

-'01 1 I —7—у-

• И

(11)

Пример результатов расчета представлен на рисунке 3.

£ р, кг/м3

а)

б)'

0.2 г, м

г, м

Рисунок 3. Результаты расчета по определению деформации и плотности слоев массива лесного почвогрунта после воздействия: а) - относительная деформация массива в зависимости от глубины залегания; б) - плотность почвогрунта после воздействия, (пунктирной линией показана плотность слоев в исходном состоянии)

Результаты моделирования показали, что наличие слоя, армированного корневой системой (слой 2 на рисунке 1) снижает относительное уплотнение лежащего под ним слоя неперегнившей органики (слой 3) приблизительно в 6 раз, что установлено сопоставлением результатов расчетов при задании характеристик слоев (рисунок 3) с результатами расчетов при характеристиках слоя 2, аналогичным характеристикам слоя 1.

3. МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ

ИССЛЕДОВАНИЙ, АППАРАТУРА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

В разделе изложена методика проведения и обработки результатов экспериментальных исследований. Приведены сведения об основном оборудовании и приборах, использованных при проведении опытов.

Экспериментальная часть работы делилась на две части:

- исследование влияния плотности и влажности слоев почвогрунта на

его физико-механические свойства;

- исследование фильтрационных свойств лесных почвогрунтов.

Образцы лесного почвогрунта брались в соответствии с ГОСТ

12071-84 специальным режущим инструментам (керном) для взятия проб почвогрунта (рисунок 4).

Прибор состоит из двух частей: основной режущий короб, на рисунке 4, а погружен в почвогрунт, и подвижная режущая крышка, которая отсекает пробу почвогрунта от основного массива (рисунок 4, б).

Прибор с пробой почвогрунта извлекается из массива, режущая нож-крышка снимается (сдвигается). Сечение полученного образца 65x40 мм. Длина и зона принимаются из целесообразности.

Пробы были взяты из зоны воздействия лесных машин на почвогрунт (из колеи образованной в зоне волока) и из зоны не подверженной данному воздействию вблизи от волока.

Полученный образец извлекался из прибора и упаковывался в пакеты, для дальнейших исследований.

На образце ярко выражены слои почвогрунта (рисунок 4, в).

Определение плотности и влажности различных слоев почвогрунта осуществлялся в соответствии с требованиями ГОСТ 5180—84.

Пределы пластичности почвогрунта определялись с использованием стандартного балансирного конуса A.M. Васильева.

Для контроля за нагрузкой на образец и хода нагружения вместо столика был собран экспериментальный стенд с датчиком прибора (динамометр) ДОС-3-2И, предназначенный для измерения статического сжатия (рисунок 5).

Рисунок 4. Отбор проб экспериментального почвогрунта: а), б) - прибор для отбора проб; в) - срез массива лесного почвогрунта

Динамометр ДОС-3-2И вместе с интерфейсом и программным обес печением позволяет адекватно обрабатывать и графически интерпретиро вать получаемые опытные данные. _

Рисунок 5. Рычажный пресс с датчиком прибора ДОС-3-2И

Созданный лабораторный измерительный комплекс позволяет адекватно оценивать характеристики различных слоев почвогрунта при числе повторений испытаний образцов 6-8, что показала статистическая обработка результатов предварительных опытов.

Как показал анализ состояния вопроса, результаты моделирования и предварительные эксперименты, для оценки характеристики почвогрунтов нужны опытные образцы различных слоев почвогрунта: слой почвогрунта из частично перегнившего органического слоя; из органического слоя пронизанного корневой системой и органического слоя свободного от корневой системы трех категорий плотности по слоям: I -/>=0,45-0,65, II -/>= 0,8-0,9 и III -/>=1,0-1,1 т/м3; для второго слоя I -/>=0,8-0,95, II -/>=1,0-1,05 и III -/>=1,1-1,2; для третьего слоя I -/>=1,2-1,3, II -/>=1,4-1,5 и III -/>=1,8-1,8 и различной влажности до границы текучести и после границы текучести с шагом 10%.

4. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

В таблице 2, а также на рисунках 6 - 8 в виде графиков представлены зависимости физико-механических свойств слоев массива лесного почвогрунта в зависимости от плотности и влажности.

600

а) 460

440

CÖ

"3 420

«Г 400

380

360

Y — 0,112х+ 326,2^

1IV = 0,892/f^ //

-Г

450

600 750 900 р, кг/м3

0,2

у = -0,0()0х •) 0,826 R2 = 0,941

450

600 750 900 р, кг/м3

1 у - 0,424х + 30,5 • R2 = 0,987

1050

450

1050

1050

600 750 900 р, кг/м3

Рисунок 6. Зависимость физико-механических свойств лесной почвы от ее плотности: а) - модуль деформации; б) - внутреннее сцепление; в) - тангенс угла внутреннего трения (сплошные линии - расчетные значения по формулам таблицы 2; пунктирные линии - экспериментальные данные)

а)

1000 800

Й 600 к

400

б)

В)

200 0

9

0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 О

900

975 1050 1125 р, кг/м3

у = 14826Х"1-53 R2 = 0,975

900

975 1050 1125 р, кг/м3

300 250

У = 2E-1ÓX5'871 R2 = 0,9

1200

900

1200

1200

975 1050 1125 р, кг/м3

Рисунок 7. Зависимость физико-механических свойств слоя с корневой системой:

а) - модуль деформации; б) - внутреннее сцепление; в) - тангенс угла внутреннего трения (сплошные линии - расчетные значения по формулам таблицы 2; пунктирные линии - экспериментальные данные)

в)

31 -

30

О

& 29 з-

28 27 26

15 30 И^/о 60 75 Рисунок 8. Зависимость физико-механических свойств слоя без корневой системы от его плотности:

а) - модуль деформации; б) - внутреннее сцепление; в) - тангенс угла внутреннего трения (сплошные линии - расчетные значения по формулам таблицы 2; пунктирные линии - экспериментальные данные)

у = 1,207х- 557,1 R2 = 0,994

Графики для нижележащих слоев массива почвогрунта не приводим, ввиду ограниченности текста автореферата.

В таблице 2 представлены полученные после обработки результатов опытов уравнения, выражающие связь физико-механических характеристик слоев массива лесного почвогрунта, а также сводные данные по статистической обработке результатов опытов

Таблица 2. Сводные данные по статистической обработке результатов

опытов и уравнения

Слой Уравнение [и] СР РР

Почва (слой 1) £ = 0,1121/7 + 326,23 6 0.2518 1.597 0,89 (12)

С0 = 0,4243/7 + 30,5 7 0.3757 3.0362 0,98 (13)

Щср, =-0,0002/7+0,8264 7 0.2989 1.8729 0,94 (14)

Слой с Е = 1,2075/5 - 557,14 6 0.3398 0.6752 0,99 (15)

корневой С0 = 2Е -16/>5 87' 10 0.4741 4.1715 0,99 (16)

системой (слой 2) <р0 =14826/Г1'535 6 0.3133 2.2963 0,97 (17)

Е = -0,36 IV2 + 31,26Ж + 9,3488 6 0,94 (18)

Почва С0 =-0.395^+46.42 8 - (19)

(слой 1) =32Не{42-^) + 26,6 Не(1У - 42) 9 0,92 (20)

Результаты исследования фильтрационных характеристик лесной почвы представлены в виде графика на рисунке 9.

Экспериментальные данные описываются следующим уравнением:

( V3,78

АГЛ =0,0137-^- (21)

ф 1,1000,)

5. РАЗРАБОТКА И ОБОСНОВАНИЕ РЕКОМЕНДАЦИЙ ПО ОСВОЕНИЮ ЛЕСОСЕК С УЧЕТОМ ИЗМЕНИЕЯ СВОЙСТВ ПОЧВОГРУНТОВ ПОД ВОЗДЕЙСТВИЕМ ЛЕСОЗАГОТОВИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ

В главе рассмотрены нормативные требования к процессам заготовки древесины. Показано, что на основании пункта № 56 действующих Правил заготовки древесины, утвержденных приказом Рослесхоза от 01.08.2011 г. № 337, который, в том числе, гласит «В равнинных лесах, при сплошных рубках без сохранения подроста в условиях типов леса, где минерализация поверхности почвы имеет положительное значение для лесо-восстановления, площадь волоков не ограничивается» возможно, освоение

лесосек без строго заданной сети волоков. Благодаря этому возможно добиться более равномерное распределение грузовой работы по территории лесосеки и повреждаемости лесного почвогрунта. Равномерно распределение грузовой работы по площади лесосеки приведет к тому, что лесные машины на большей части территории лесосеки будут не ухудшать, а улучшать лесорастительные свойства почвогрунта. Кф, м/сут

9 8 7 6 5 4 3 2 1 О

700 750 800 850 900 950

р, кг/м3

Рисунок 9. График зависимости коэффициента фильтрации лесной почвы

от ее плотности

Для этого, на основании результатов исследования, обосновано оптимальное число проходов лесных машин по одному следу в зависимости от характеристик почвогрунта.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

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

............л......................

л \

\\ \\

\\ \ \

\\ \\

\\ V ■

ч

2. При проходе лесных машин с давлением на почвогрунт 70-80 кПа верхний органический слой уплотняется более чем в 2 раза (до 120% от естественной плотности).

3. Наличие корневой системы, армирующей почвогрунт, может снижать уплотняющее воздействие движителей лесных машин на нижележащий слой в 4-6 раз.

4. Развитие деформации отдельных слоев массива почвогрунта следует описывать дифференциальной зависимостью, вида (5).

5. Поскольку точное решение зависимости (5) не возможно, для его решения следует использовать численные методы. Для этого необходимо экспериментальным путем получить величины угла внутреннего трения, коэффициента сцепления и модуля деформации слоев почвогрунта.

6. Обработка экспериментальных данных показала расхождение с результатами исследования математической модели не более 14%.

7. Зависимость коэффициента фильтрации от плотности слоя лесного почвогрунта описывается показательной функцией вида (21).

8. Зависимость сцепления почвогрунта от его влажности описывается линейной зависимостью, вида (19);Зависимость угла внутреннего трения от влажности описывается линейной ступенчатой функцией, вида (20). Зависимость модуля деформации от влажности описывается полиномом второй степени, вида (18).

9. Зависимость сцепления почвогрунта от его плотности описывается линейной зависимостью, вида (13);Эависимость угла внутреннего трения от плотности описывается линейной, вида (14). Зависимость модуля деформации от плотности описывается линейной функцией, вида (12).

Ю.Перспективными следует признать исследования по определению взаимного влияния влажности и плотности лесного почвогрунта на его физико-механические свойства, а также более детальные исследования по определению коэффициента фильтрации лесного почвогрунта.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

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

2. Язов В.Н., Лисов В.Ю. Экспериментальное определение сопротивления почвы сдвигу // Ученые записки Петрозаводского государственного университета № 2 (131), 2013. С. 66-69.

3. Минаев А.Н., Никифорова А.И., Пелымский A.A., Язов В.Н., Андронов В.А. Математическая модель процесса образования колеи под воздействием колесных лесных машин // Известия ВУЗов. Jlce-нойжурнал № 5 ,2013.

4. LisovV.Yu, YazovV.N. Determinationmaximumdensityofforestsoil / Scien-ceandEducation [Text]: Materialsofthelllinternational research and practice conference, Vol. I, Munich, April 25th - 26th, 2013 / publishing office Vela Verlag Waldkraiburg - Munich - Germany, 2013. P 129-133.

5. Язов B.H., Лисов В.Ю.Определение сопротивления почвы сдвигу / Материалы девятой международной научно-технической интернет-конференции Леса Росси в XXI веке -СПб.: СПбГЛТУ, 2012. С. 20-24.

6. Тюрин H.A., Бессараб Г.А., Язов В.Н. Дорожно-строительные материалы и машины.- М.: Издательский центр «Академия», 2009.- 304с.

Просим принять участие в работе диссертационного Совета

Д.212.220.03или прислать Ваш отзыв на автореферат в двух экземплярах с

заверенными подписями по адресу: 194021, Россия, г. Санкт-Петербург,

Институтский пер., д. 5 с пометкой «в ученый Совет».

ЯЗОВ ВЛАДИМИР НИКОЛАЕВИЧ АВТОРЕФЕРАТ

Подписано в печать с оригинал-макета 12.11.13. Формат 60x84/16. Бумага офсетная. Печать трафаретная. Уч.-изд. л. 1,0. Печ. л. 1,25. Тираж 100 экз. Заказ № 275. С 18 а.

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

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего

профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный лесотехнический университет имени

С.М. Кирова»

04201454402

На-правах рукописи

ЯЗОВ Владимир Николаевич

ВОЗДЕЙСТВИЕ ЛЕСНЫХ МАШИН НА МНОГОСЛОЙНЫЙ

МАССИВ ПОЧВОГРУНТА

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......................................................................................................................5

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА...........................................................................................9

1.1. Основные понятия и определения.......................................................................9

1.2. Технологии лесозаготовительных производств...............................................11

1.3. Трелевка лесоматериалов...................................................................................12

1.4. Воздействие техники и технологии на лесную среду и пути повышения экологичности проведения основных работ............................................................16

1.5. Конструктивные особенности и технические решения движителей лесных машин.......................................................................................................................24

1.6. Показатели и методы оценки физико-механических свойств грунтов и почв ......................................................................................................................................30

1.7. Методы определения характеристик прочности и деформируемости грунтов

......................................................................................................................................32

1.7.1. Метод одноплоскостного среза...................................................................33

1.7.2. Метод компрессионного сжатия..................................................................35

1.8. Моделирование процессов деформации грунтов и почв................................37

1.9. Определение площади лесосеки, подверженной негативному воздействию лесных машин.............................................................................................................46

1.10. ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ......................................................................................55

2. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ДВИЖИТЕЛЯ МАШИНЫ С МНОГОСЛОЙНЫМ ЛЕСНЫМ ОСНОВАНИЕМ............................58

2.1. Общие замечания.................................................................................................58

2.2. Исходные зависимости для модели...................................................................59

2.2.1. Алгоритм расчета для определения деформации лесного почвогрунта под воздействием нагрузки со стороны движителя машины.............................63

2.3. ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ...........................................................................................70

3. МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ, АППАРАТУРА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ............................71

3.1. Общие замечания.................................................................................................71

3.2. Исследование влияния плотности и влажности лесного почвогрунта на его деформативные свойства...........................................................................................72

3.2.1 Методика отбора образцов почвогрунта.....................................................72

3.2.1.1 Подготовка образцов к проведению исследований.................................74

3.2.2. Аппаратура для проведения экспериментов по исследованию деформативных свойств лесного почвогрунта....................................................78

3.3. Исследования по определению влияния плотности лесных почвогрунтов на их фильтрационные свойства....................................................................................84

3.3.1 Методика отбора образцов почвогрунта.....................................................84

3.3.1.1 Подготовка образцов к проведению исследований.................................84

3.3.2. Аппаратура для проведения экспериментов по исследованию фильтрационных свойств лесных почвогрунтов.................................................86

3.4. Обоснование необходимого числа опытов и наблюдений.............................88

3.5. ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ...........................................................................................89

4. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ.........................91

4.1. Общие замечания.................................................................................................91

4.2. Результаты исследований по определению влияния влажности и плотности на деформативные свойства лесных почвогрунтов................................................96

4.2.1. Результаты опытов........................................................................................96

4.3. Результаты исследований по определению фильтрационных свойств лесных

почвогрунтов.............................................................................................................113

4.3.1. Результаты опытов......................................................................................117

4.4. ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ.........................................................................................121

5. РАЗРАБОТКА И ОБОСНОВАНИЕ РЕКОМЕНДАЦИЙ ПО ОСВОЕНИЮ ЛЕСОСЕК С УЧЕТОМ ИЗМЕНИЕЯ СВОЙСТВ ПОЧВОГРУНТОВ ПОД ВОЗДЕЙСТВИЕМ ЛЕСОЗАГОТОВИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ...............................123

5.1. Общие замечания...............................................................................................123

5.2. Нормативные требования к процессам заготовки древесины, направленные на снижение экологического ущерба лесной экосистеме в процессе лесозаготовки............................................................................................................124

5.3. Рекомендации по снижению негативного воздействия лесозаготовок на лесную экосистему исходя из обеспечения требований по обеспечению плодородия лесных почвогрунтов..........................................................................125

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ...............................................................129

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ..................................................131

ПРИЛОЖЕНИЯ К РАБОТЕ.......................................................................................141

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы исследования. Развитие лесозаготовительной промышленности произошло после Великой Отечественной войны, т.к. резко возросла потребность в древесине для восстановления разрушенного народного хозяйства. Начали создаваться различные машины для лесной промышленности и никто не обращал внимание на воздействие техники на лес.

В основе лежала проходимость техники в сложных лесных условиях и их производительность. На тот момент это было оправдано. Но по истечении многих лет лесозаготовители начали приходить на выработанные лесные участки, где, казалось бы, лес должен был восстановиться, но этого не произошло. Некоторые делянки оказались заболочены, на других изменился породный состав и скорость лесовосстановления. Это связано с воздействием техники на лесные почвогрунты. Все предопределило актуальность исследований в области воздействия лесных машин на почвогрунты лесосек. Этим вопросом занималась большая плеяда отечественных и зарубежных ученых. Был проведен большой объем исследований, разработано большое количество более или менее работоспособных математических моделей деформации почвогрунта под воздействием движителей лесных машин. Однако в этих исследованиях не учитывалась многослойность почвогрунта, в котором каждый слой играет свою роль в процессах лесовосстановления.

Степень разработанности темы исследования. Диссертация представляет собой законченное научное исследование, включающее в себя изучение состояния проблемы, постановку цели и задач, теоретический анализ процесса деформации слоев почвогрунта под воздействием 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.

Целью диссертационной работы является уменьшение экологического ущерба от воздействия лесных машин на почвогрунты лесосек исходя из требований эффективного лесовосстановления.

Для достижения поставленной цели были сформулированы следующие основные задачи исследования:

- Разработать и исследовать математическую модель деформации слоев поч-вогрунта лесосек под воздействием лесных машин в зависимости характеристик каждого слоя почвогрунта.

- Получить зависимости физико-механических свойств слоев лесного почвогрунта от их влажности и плотности.

- Разработать методику экспериментальных исследований и обосновать необходимое число измерений для проведения экспериментальных исследований.

- Экспериментальным путем исследовать деформации слоев лесного почвогрунта лесосек под воздействием лесных машин в зависимости от характеристик почвогрунта.

- Получить данные об адекватности разработанных математических моделей.

- Разработать технологические рекомендации, повышающие экологическую эффективность работы лесных машин.

Научная новизна работы. Разработанная и исследованная математическая модель воздействия лесных машин на почвогрунты лесосек, отличающаяся учетом многослойности и различием физико-механических свойств отдельных слоев почвогрунта, позволяющая определять его деформации, углубляет теорию взаимодействия лесных машин с поверхностью движения.

Теоретическая и практическая значимость работы.

- Разработанная математическая модель позволяет прогнозировать деформации слоев почвогрунта, возникающие под действием лесных машин.

- Получены зависимости модуля деформации, коэффициента фильтрации и угла внутреннего трения частиц слоев лесного почвогрунта в зависимости от их плотности и влажности.

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

Методика 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, 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., Александрова В.А., Базарова С.М., Большакова Б.М., Герасимова Ю.Ю., Герца Э.Ф., Григорьева И.В., Добрынина Ю.А., Иванова В.А., Иванова H.A., Котикова В.М., Кочегарова В.Г., Коч-нева A.M., Курьянова В.К., Макуева В.А., Меньшикова В.Н., Никифоровой А.И., Патякина В.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 процесса деформации слоев многослойного неоднородного по физико-механическим свойствам лесного почвогрунта под воздействием лесных машин.

- Зависимость угла внутреннего трения частиц слоев лесного почвогрунта от их плотности и влажности.

- Зависимость коэффициента фильтрации частиц слоев лесного почвогрунта от их плотности и влажности.

- Зависимость модуля деформации слоев лесного почвогрунта от их плотности и влажности.

- 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 деформации слоев лесного почвогрунта.

Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на: Девятой международной научно-практической Интернет-конференции «Леса России в XXI веке» (СПб, 2012 г.); the III international research and practice conference, Munich, April 25th - 26th, 2013 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») .

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА

1.1. Основные понятия и определения

Экология - наука о взаимоотношении живых организмов и образуемых ими сообществ между собой и окружающей средой. Существует много определений этого понятия, но часто в зависимости от объектов исследований различают сле-дущие: экология растений, экология животных, экология человека или социальная экология, занимающаяся широким кругом проблем (биологических, социальных, технических, философских), взаимоотношением человеческого общества и природы. Специфика исследований в различных природных средах и комплексах вызвала дифференциацию экологии на экологию водных организмов или гидроэко-биологию, экологию почвенную и т.д. [1, 2]. Прикладное значение экологии выражается в интерпретации известных и установлении новых факторов в лесоводстве, земледелии и других отраслях народного хозяйства, связанных с природопользованием, а также в обобщении этих факторов и наблюдением за ними. Проблема экологии тесно связана с производством. Часто говорят об "экологизации промышленных и технологических процессов". Современная экология не мыслима без системного подхода, поэтому для нее характерно использование системного анализа и математических методов обработки полученных данных. Экономические факторы, факторы среды, совокупность среды влияют на растения, животных и биологическое сообщество в целом. Экологические факторы, определяющие условия существования организмов, например для растений - свет, кислород, вода, углекислота, тепло и др. [1, 2]. Вся живая природа состоит из различных экосистем, а их совокупность образует биосферу земли [3].

В работе [4] при рассмотрении нарушения сложившихся природных экосистем, под воздействием эксплуатации любой отраслью природных ресурсов вве-

дено понятие экологический ущерб.

В СПбГЛТУ, впервые, обоснованы понятие и методика оценки экологической эффективности лесозаготовительного производства [5].

Грунт. Существует несколько определений грунта, причем специалисты различных отраслей зачастую дают определения, исключающие одно другое. Исследователи взаимодействия машин с грунтом выделяют и определяют скальные грунты, песчано-глинистые грунты и почвы [6].

Почва - природное образование, состоящее из генетически связан-ных почвенных горизонтов, формирующихся в результате преобразования поверхностных слоев литосферы под воздействием воды, воздуха и живых организмов. Почвы обладают плодородием [2]. Почвенное плодородие - способность почвы обеспечивать изменяющиеся на протяжении вегетационного периода потребности растений в доступных им формах азота, элементов минерального питания и воды.

Исследователи взаимодействия машинно-тракторных агрегатов с опорной поверхностью обычно применяют термин почва и почвогрунт [7, 8]. Понятно, что при многократном проходе лесосечной машины движитель воздействует не только на почвенный слой, но и на грунт. Однако исследователи работы трелевочных тракторов рассматривают взаимодействие движителя и древесины с почвой [9]. В лесной энциклопедии не приведено понятие "грунт" и тем более "почвогрунт" [1, 2].

Следовательно, в дальнейшем под термином лесной почвогрунт будем понимать многослойную органическую и минеральную структуру, состоящую из слоев не перегнившей растительной органики, частично перегнившей, слоя органики, пронизанной корневой системой, над грунтовым слоем перегнившей органики и грунта, которые подвержены влиянию движителя.

Методология, у исследователей лесосечных машин, понимается как научно-обоснованная структура, логическая организация, методы и средства выполнения всего комплекса работ [9].

Функционирование лесозаготовительного производства регламентируется лесоводственными требованиями к технологическим процессам лесосечных работ и рубок ухода. В некоторых из лесоводственных требований сформулировано понятие технологический процесс, который есть совокупность технологии, машин и оборудования и организационных мероприятий [10, 11].

1.2. Технологии лесозаготовительных производств

Известно, что технология (от греческого 1есЬпе - мастерство, умение, искусство) - совокупность методов обработки, изменения состояния, формы, размеров, свойств, и месторасположения предмета труда в процессе производства продукции. [12, 13, с. 1321]

Технологией лесозаготовительных производств называется система знаний о способах и средствах выполнения на лесосеках, погрузочных пунктах и лесных складах ряда операций от валки леса до отгрузки его потребителю в требуемом виде [14, 16].

Российские ученые внесли значительный вклад в разработку для каждого периода развития прогрессивных технологий лесозаготовок. Следует отметить, что разработка и совершенствование технологий лесозаготовительного производства оказались сложной научно-технической проблемой, прежде всего, из-за разнообразия производственных условий, характеристик древостоя, физико-механических свойств лесных почвогрунтов, рельефа местности и климатических условий. Технологии и оборудование лесозаготовительных производств совершенствуются с учетом различных экологических, энергетических и производственных требований, вкл