Снижение отрицательных последствий от воздействия трелевочных систем на лесную почву тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.21.01, доктор технических наук в форме науч. докл. Большаков, Борис Михайлович

• Большаков, Борис Михайлович
• доктор технических наук в форме науч. докл.
• 1998

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Снижение отрицательных последствий от воздействия трелевочных систем на лесную почву»

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 уплотняющих 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, математичсскне 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 адекватностью, 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 грунтозацепы способствуют разрыхлению почвы и снижению ее плотности.

Котиков В.М. и Слодкевич Я.В. в своих работах указывают на отсутствие единого координированного плана исследования сложнейшей проблемы лесозаготовительной промышленности и лесного хозяйства -экологичности машинной заготовки леса, на отсутствие научно-обоснованного критерия оценки экологической совместимости лесозаготовительных машин и лесной почвы. Предполагается оценивать в рублях ущерб, причененный машиной окружающей среде, а при создании лесосечных машин высокой проходимости и экологически совместимых с лесной средой проводить комплексную экономико-экологическую оценку с учетом капитальных вложений, энергоемкости процессов и стоимости экологического ущерба. Анализ исследований, выполненный авторами позволит сделать следующие выводы . 1. Отрицательное воздействие движителей сельскохозяйственнх тракторов и машин на почву признано сложной экологической проблемой, на решение которой нацелены многие научные коллективы, включающие механиков, агрономов, биологов, почвоведов.

2. Наиболее существенным показателем, характеризующим свойства почвы является - плотность, от которого зависит весь комплекс физических условий в почве: водный, воздушный и тепловой режимы. Наибольшая продуктивность растений наблюдается при оптимальной плотности почвы, значение которой отличается от равновесной плотности - плотности естественного сложения.

3. Существующие математические модели, методы оценки и ГОСТ 26955-86 не пригодны для оценки воздействии движителей на лесную почву. Такой подход является ограниченным, так как среднее давление движителей в большинстве случаев не является достаточным при оценке воздействия на почву различных танов движителей, не учитывается кратность проходов их по следу, скорость передвижения машины, максимальное давление и др.

4. Струкура лесной почвы принципиально отличается от структуры почвы сельскохозяйственных угодий. Лесная почва может быть пронизана корнями деревьев, плотность которых меньше плотности почвы, а твердость и жесткость значительно больше. Следовательно, должны бьггь разработаны новые показатели и методы оценки физико-механических свойств почвы.

5. Для разрушения почвы от деформации сжатия требуется усилие в 10 - 20 раз больше, чем для разрушения от деформации растяжения.

6. Доказана необходимость дифференцирования предельно допустимого давления на почву для машин с различными типами движителей в зависимости от ее физико-механических свойств, влажности и её изменений в течении года, а также других, зонально-топологических условий. Такой подход позволит разнообразить возможности применения лесосечных машин, достичь оптимального соотношения массы машины, оборудования, полезной нагрузки и минимального уплотнения лесной почвы.

7. К основным недостаткам исследований воздействия лесных машин и древесины на лесную почву можно отнести следующие: при исследования взаимодействия лесосечных машин и трелевочных систем с лесной почвой применяются методы и показатели, разработанные для оценки функционирования системы «сельскохозяйственный трактор - поле урожай» без учета особенностей лесной почвы, рельефа местности и режимов работы машин; взаимодействие движителя с почвой рассматривается при прямолинейном движении машины по горизонтальной поверхности, без учета склона волока и боковых реакций колеи на движитель, что не отражает реальных режимов работы лесосечных машин; отсутствует методика, показатели оценки и снижения уплотняющего воздействия движителей колесных и гусеничных лесопромышленных тракторов на лесную почву при разработке лесосеки.

8. С применением энергонасыщенных большой массы лесосечных машин экологическая проблема резко обостряется. Уплотняющие воздействия движителей на лесную почву большинства лесосечных машин превышают значения показателей, регламентируемых ГОСТом-26955-86 и лесоводственными требованиями. Отсутствует теория оптимального управления транспортным освоением лесосеки с минимизацией отрицательных последствий от воздействия лесосечных машин и древесины на почву.

9. При исследовании взаимодействия движителей машин с почвой применяются классические методы математического моделирования и анализа. Исследований с применением методов вариационной статистики, случайных функций и статистической динамики не встречено.

Для достижения поставленной цели исследования необходимо решить следующие задачи:

1. Разработать и исследовать математическую модель и методику прогнозирования допустимого числа проходов трелевочного трактора с пачкой древесины;

2. Исследовать характерные особенности воздействия трелевочной системы на уплотнение почвы при трелевке древесины по крутосклонному волоку;

3. Разработать и исследовать математическую модель физико-механических свойств лесной почвы с элементами древесины;

4. Обосновать методологию и разработать экспериментально-теоретические методы управления уплотнением почвы трелевочной системой при разработке лесосек;

5. Разработать приборное обеспечение минимизацией уплотнения почвы трелевочной системой;

6. Экспериментально подтвердить адекватность моделей и получить новую информацию о воздействии кроны и комлей пачки деревьев на почву.

И. НОВАЯ К'ПННГПТТИЯ ППТНТГИ УПЛОТНЕНИЯ ПОЧВЫ ПРИ ДВИЖЕНИИ ТРЕЛЕВОЧНОЙ СИСТЕМЫ ПО КРУТОСКЛОННОМУ ВОЛОКУ

Первый в мире гусеничный трелевочный трактор и первые лесовозные автомобили были созданы на базе серийно выпускаемых агрегатов, механизмов и узлов с сохранением их функционального назначения и принципа работы. Разработка теории движения трелевочной системы базировалась также на теории движения тракторов и автомобилей сельскохозяйственного и промышленного назначения.

Сельскохозяйственные мобильные машины в основном работают в равнинной местности или в местности со слабопересечнным рельефом. Поэтому и теория их взаимодействия с почвой разрабатывалась без учета поперечного наклона (склона) поверхности по отношению к продольной оси движения.

Условия эксплуатации трелевочного трактора принципиально отличаются от условий движения тракторов и автомобилей сельскохозяйственного назначения. [1, 2, 4, 5, 6, 7] При разработке лесосек допускается работа трелевочных тракторов в летних условиях и при сухой почве на уклонах и склонах до 25°. При этом трелевочный волок может иметь одновременно уклон (подъем, спуск) в продольной оси, а склон - в поперечной.

Сложилась абсурдная ситуация - все исследователи движения трелевочных систем, да и лесосечных машин, рассматривают взаимодействие их с опорной поверхностью только при движении на уклоне без учета склона поверхности. Этот серьезный недостаток теории движения трелевочного фактора просматривается в вузовских учебниках и научно-производственной литературе.

Такое упрощение не отражает сущности взаимодействия трелевочной системы с волоком в реальных условиях эксплуатации, особенно на базе гусеничного трактора, и недопустимо при моделировании процессов, возникающих в зоне контакта гусеницы с грунтом при оценки уплотняющего воздействия движителя на лесную почву. Следует отметить, что в основных лесных регионах России условия лесозаготовок хаоактеризуются пересеченным и даже резко пересеченным рельефом и трелевочный волок зачастую имеет склон в поперечной плоскости.

Рассмотрим некоторые особенности взаимодействия гусеничного движителя с опорной поверхностью при движении трелевочного трактора по горизонтальному участку волока и по волоку, проложенному по склону. [1, 3] При движении по горизонтальному участку волока весь вес трелевочного трактора С и части пачки 0 , размещенной на щите, воздействует на опорную поверхность двух гусениц, площадь которых у тракторов ТДТ-55А составляет около 2,0 м2. При массе трактора 9300кг среднее давление движителя на волок составит 45 кПа, а с пачкой древесины массой 0=5000 кг и размещением комлевой части С}] = 3000 кг на щите - 59 кГ1а.

Трелевка пачки древесины по горизонтальному, но с углом склона р волоку (рис.1) сопровождается усложнением процессов взаимодействия трелевочной системы с почвой. Касательная сила тяги Рк преодолевает силы сопротивления движению трактора Рг и пачки Рь и сопротивления от подъема Ри, Рд. Сила сопротивления движению трактора Р{ складывается из силы сопротивления качения гусеничного движителя по дну колеи и силы сопротивления торца гусеничной ленты по стенке колеи. Силу Р&, можно представить как единую силу сопротивления скольжения древесины (кроны или комлей) по днищу и стенке волока, то есть по почве. Эта сила определяется массой части пачки СЬ и коэффициентом скольжения. При этом, естественно, нормальные реакции поверхности Ъ, Zí и 72, возникающие под воздействием нормальных составляющих Рк от О + и <Ь (рис. 1 и 2), определяют только часть сил сопротивления движению Р( и

Напряжения в почве, возникающие под воздействием нормальных составляющих Рг и Р|1Ъ которые представлены эпюрой на рис. 1 и 2, характеризуются значительной неравномерностью, а уплотнение почвы в «следе» будет определяться максимальным давлением движителя на почву.

При движении трелевочного трактора по волоку с углом склона в поперечной плоскости 25° около 42 % его веса Рр будет воздействовать на стенки колеи и создавать реакцию почвы Н, и Ы„ на торцевую часть гусеничных лент. Такое взаимодействие торцов гусениц с почвой сопровождается перераспределением давления на опорную и торцевую поверхность гусениц и возникновению процессов уплотнения и разуплотнения почвы. Например, при трелевке пачки О - 5000 кг комлями вперед по волоку (} — 25° (рис.1) составляющая Рр = 51,7 кН. При этом в зоне контакта торцов двух гусениц, площадь которых составляет всего 1500 см2, со стенками колеи возникает очень большое давление 0,347 МПа. Это давление в 6,1 раза превышает давление, возникающее в зоне контакта опорной поверхности гусениц с горизонтальным волоком. Следует отметить, что максимальное давление гусеничного движителя на опорную поверхность может превышать среднее в 4 - 5 и более раз. Анализ сил, действующих на трактор (рис.1 и 2) показывает, что величина угла склона волока влияет на значение реакции почвы Ыл и Ып.

При схемах па рис.1 и 2 торец правой гусеницы будет создавать в почве давление большее по значению, чем торец левой гусеницы. Увеличение высоты центра масс за счет размещения на тракторе трелюемой пачки увеличит эту разницу напряжений в почве. Следовательно, с увеличе

Рис. 1 Силы, действующие на гусеничный движитель и пачку трелюемой древесины при движении по горизонтальному участку волока, проложенному по склону.

Рис. 2 Силы, действующие на гусеничный движитель й пачку трелюемой древесины при движении по волоку с подъемом, проложенному по склону. нием угла склона р уменьшаются реакции Z и увеличиваются реакции N, соответственно, происходит перераспределение давления движителя на элементы волока.

Трелевка пачки по волоку с предельными значениями углов склона а и р исключается из-за неудовлетворительных сцепных свойств движителя с почвой. Наиболее сложное взаимодействие трелевочной системы с волоком с точки зрения уплотняющего воздействия движителя на почву возникает при трелевке по волоку с предельным значением угла склона и наличии подъема а = 5 - 10°. В таких ситуациях cos а не оказывает заметною влияния на силу Рр и им можно пренебречь.

На данном этапе исследований можно прогнозировать некоторые особенности воздействия торцевой поверхности на волок. Так можно ожидать, что коэффициент неравномерности давления торцевой поверхности на стенку колеи, представляющий отношение максимального давления к среднему, будет значительно меньше, чем опорной поверхности гусеницы на дно колеи. В зависимости от физико-механических свойств почвы и геометрических показателей колеи, торцевая поверхность гусеницы может как переуплотнять, так и рыхлить почву стенки колеи. Еще одна особенность - воздействие торцевой поверхности на почву стенки колеи носит динамический характер. Поэтому при воздействии торцевой поверхности гусеницы на стенку колеи в почве могут создаваться напряжения, в несколько раз превышающие «экологический предел», что, естественно, сопровождается интенсивным переуплотнением и разрушением структуры почвы. Сущность этих процессов не исследована.

Крона пачки деревьев (рис.1), как показали исследования сотрудников ЦНИИМЭ, оказывает незначительное давление на почву.

При трелевке пачки леса вершинами вперед (рис.2) в контакте комлей с волоком возникают процессы, сущность которых не исследована, но можно предположить, что при сравнительно большом весе комлей, действующем на дно и стенки колеи, и очень малом «пятне контакта» могут в почве возникать напряжения, в несколько раз превышающие напряжения в почве от воздействия движителя, следовательно и уплотняющее воздействие трелевочной системы на почву будет определяться не воздействием движителя, а воздействием комлей пачки древесины.

Ш. ОБОСНОВАНИЕ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ОЦЕНКИ ВОЗДЕЙСТВИЯ ТРЕЛЕВОЧНОЙ СИСТЕМЫ НА ЛЕСНУЮ ПОЧВУ

Лесоводственные требования к технологическим процессам рубок ухода» 1993г. рекомендуют разрабатывать и использовать при проведении рубок ухода в летний период (при непромерзшем грунте) машины не оказывающие сильных отрицательных воздействий на почву, с «удельным» давлением при нормальной нагрузке в рабочем режиме не более 60 кПа для гусеничных и 120 кНа для колесных движителей. В «Лесоводственных требованиях к технологическим процессам лесосечных работ» (1993г) записано « . «удельное» давление при нормальной нагрузке в рабочем режиме должно быть не более чем 70 кПа для гусеничных и 150 кПа для колесных движителей». Современные лесопромышленные трактора отечественного и зарубежного серийного производства имеют среднее давление движителей на почву, зачастую превышающее лесоводственные требования. Следует отметить, что «Лесоводственные требования» регламентируют средние давления движителей на почву без учета ее типа, механических свойств, наименьшей влажности и наличия корневой системы. Исследователи мобильных сельскохозяйственных машин даже для сельскохозяйственных почв, которые ежегодно разуплотняются установили, что допустимое давление может быть до 0,3 МПа.

Среднее давление, с нашей точки зрения, может применяться как оценочный параметр технического уровня тракторов и совершенно непригодно для определения воздействия движителей на почву. Даже упрощенное рассмотрение механики взаимодействия движителя с опорной поверхностью (рис. 1, 2) при движении трактора позволяет доказать, что максимальное уплотняющее воздействие на почву образуется от максимального давления движителя на почву и его «перемещения» вместе с трелевочным трактором по всей длине волока. [7] Это весьма принципиальное положение можно обострить, если проанализировать эпюры нормальных давлений колесных и гусеничных движителей.

Многочисленные исследования взаимодействия движителей сельскохозяйственных тракторов с почвой установили: максимальное давление передних и задних колес на почву превышает среднее давление на 20 -53%; максимальное давление гусеничного движителя на почву в 4 - 5 и более раз больше среднего давленя.

Анализ работ по исследованию лесопромышленных тракторов подтверждают вышесказанное.

Исследователи взаимодействия мобильных сельскохозяйственных машин с почвой выбирают оценочные критерии с позиции экологической совместимости системы «движитель - почва», поставив перед системой главную задачу функционирования - сохранение плодородия почвы, а в конечном итоге - получение высоких урожаев. Качество функционирования системы «движитель - почва» тем выше, чем больше урожайность.

При этом они считают, что все же решающее влияние на плодородие почвы оказывает ее плотность. Почвоведы подразделяют плотность почвы сельскохозяйственных угодий на равновесную - плотность естественного сложения, и оптимальную плотность для возделывания сельскохозяйственных культур, значения которой значительно меньше равновесной плотности. Следовательно, априори можно утверждать, что минерализация и разуплотнение верхнего слоя лесной почвы машинами и древесиной может благоприятно влиять на рост и развитие лесных культур.

Ученые, занимающиеся исследованиями взаимодействия мобильных сельскохозяйственных машин с почвой рассматривают изменение плотности почвы при образовании следа в процессе прохождения машины, при этом показатель плотности почвы применяется в качестве «выходного параметра» функционирования системы «движитель - почва». Для оценки отрицательного воздействия сельскохозяйственных мобильных машин применяется показатель уплотняющего воздействия.

Исходя из этого, интегрирующим показателем воздействия трелевочных систем на лесную почву целесообразно принять уплотнение лесной почвы, [3, 7] т.к. оно является основной агрофизической характеристикой почвы, её плодородия и лесовосстановления.

IV. ОБОСНОВАНИЕ ЧИСЛА ПРОХОДОВ ТРЕЛЕВОЧНОГО ТРАКТОРА НО ДОПУСТИМОЙ ГЛУБИНЕ КОЛЕИ

Один из путей повышения эффективности работы трелевочного трактора и снижения отрицательного воздействия трелевочной системы на почву - научно обоснованный выбор схемы размещения трелевочных волоков с учетом их работоспособности. Работоспособность трелевочного волока предложено оценивать общим объемом трелюемой по волоку (?, пачки до полной потери проходимости трелевочного трактора, углублением колеи на величину, большую значения дорожного просвета и определять по формуле: где () - рейсовая нагрузка, м ; /V - технически возможное число проходов (рейсов) трелевочного тракгора.

Работоспособность отдельных участков волока отличается и определяется в основном физико-механическими свойствами почвы, массой трелевочной системы и способом трелевки. Поэтому целесообразно разработать методику и математические модели, позволяющие обосновать схемы размещения трелевочных волоков по их работоспособности до пачала освоения лесосеки.

Известные методы определения технически возможного числа проходов трактора на переувлажненных почвах требуют определения их физико-механических свойств, являются трудоемкими и не пригодны для практического применения в условиях лесосски. Теоретические и экспериментальные методы обоснования схемы трелевочных волоков и прогнозирование их работоспособности на переувлажненных грунтах требуют дальнейшего развития. Возникла необходимость разработать новые методы и технические средства прогнозирования работоспособности трелевочного волока.

Основные деформативнопрочностные параметры почвы определяются закономерностями взаимодействия движителя машины и почвы, или закономерностями процесса «напряжение - деформация». При движении трелевочных тракторов по лесным почвам с низкой несущей способностью нагрузки от движителей достигают критических величин, при которых в почве происходят процессы общего сдвига и выпирания ее на поверхность или в стороны (рис. 3). Линейная зависимость между напряжением- и деформацией нарушается. Закон изменения сопротивления грунта вдавливанию выражается зависимостью Бершптейна - Летошнева - Горячкина: = с А". (1)

Исходя из общей теории предельного равновесия, при решении осесик-метричной задачи В. Г. Березанцсвым получена формула для определения предельной нагрузки для круглого штампа, расположенного на поверхности грунта:

Рк = л/(Акуг + СкС), (2) где г - радиус штампа; у - плотность почвы; С - удельное сцепление почвы; Ак. и С к - безразмерные коэффициенты несущей способности, зависящие от угла внутреннего трения.

Для определения напряжения под круглым штампом или конусом зонда формула (2) примет вид:

Рк

--=Акуг + СкС, (3)

ТС у где чк - предельное напряжение, МПа.

На основании влияния размеров нагружаемых площадок на предельное давление, предложен метод определения технически возможного числа

Рис. 3 Схема грунтовой модели проходов трелевочного трактора. [8, 10]. Суть метода заключается в моделировании напряженного состояния почвы под движителем трактора с помощью двух штампов. При этом определяется давление на один из штампов, которое имитирует нагрузку от движителя с учетом ее формы, параметров и характера приложения нагрузки.

Значение коэффициента Лц и Ск определены теоретически рядом исследователей в зависимости от угла внутреннего трения и принятого очертания объемлющей линии скольжения при заданной форме образующегося уплотненного грунтового ядра. Для практических целей при исследовании вопросов проходимости трелевочных тракторов предлагается экспериментальный способ определения значений коэффициентов А& и Ск . Для этого необходимо проведение испытаний двумя штампами или конусами с различными размерами. Значение полученных коэффициентов отличается от значений табличных коэффициентов, используемых в грунтоведении и механике грунтов.

Поэтому в новых уравнениях обозначим коэффициенты Ах и Ск через параметры АгяВс, которые характеризуют соответственно трение и сцепление и зависят от угла внутреннего трения для данного штампа или конуса с постоянным углом при вершине:

41 = л9 у г,+Вс С, (4)

92 = Лг7г2+ВсС. (5)

Параметры А? и Ве\хрк этом выразятся:

6)

УГ2 -у

Яг' с \

Яг9\. у г -у г v г ' и у у

Вс=-^-*-^- . (7) С

Формула (3) выражает предельное напряжение грунта под круглым штампом. Вследствие того, что при сдвиге смещение частиц грунта под круглым штампом происходит по радиальным плоскостям, а смещение частиц фунта под гусеничным движителем происходит параллельно плоскости, перпендикулярной оси гусеницы, значение параметров Аг и Вс для гусеничного движителя в том же состоянии грунта будут другими. Поэтому в расчетную формулу предельного напряжения грунта под гусеничным движителем вводятся поправочные коэффициенты а и /?: % |

42 =-Агу—+-тВ.С > а 2 А.

8) где В - ширина гусеничного движителя.

Подставив в уравнения предельного состояния грунта под круг лой площадкой и гусеничным движителем значения А? и Вс, определенные по формулам (6) и (7), получим:

Я/

Г \

Яг'Яь v

Угг-Уп уг+

Я\ Л

Чг-Ях

УГ2-УГ\ V

Уп У

9)

Я. 1 а

Яг-Я,

Угг-Угх

В 1 у--+

2 Рк

Ях \ Яг ~Я\

УГ2~УГ\

У п V (10)

Для определения предельного напряжения грунта под гусеничным движителем введем коэффициент (1, определяемый из отношения:

Методика определения опубликована [8, 1 ], 12].

Формула (1) при определенном давлении выражает определенную глубину вдавливания штампа, конуса или глубину колеи от первого прохода трактора Л;. Если принять, что г лубина колеи от первого прохода образуется от максимально развиваемого давления под движителем </1ТШХ, то глубину колеи от первого прохода целесообразно использовать в качестве критерия для оценки проходимости:

Параметры С и ц для данного состояния грунта определяют характер нарастания деформации в зависимости от напряжения. Применив соответствующие зависимости нарастания глубины колеи от числа проходов трактора, можно определить технически возможное количество проходов. Предложенные проф. Ильиным Б.А. и доц. Тюриным H.A. для заторфо-ванных и текучих грунтов зависимости выражаются:

H=h+a{N-1), (13) а для минеральных мягкопластичных грунтов.

Н - hi + , (14) где Я - глубина колеи, см; А/. - глубина колеи от первого прохода, см; а и /?к - параметры нарастания глубины колеи.

Принимая во внимание, что подвижность трактора исчерпывается при глубине колеи, равной дорожному просвету, для грунтов с низкой несущей способностью количество проходов можно определить по формуле:

N=

Hk С а 1

15) где Я* - дорожный просвет.

Аналогичным образом, используя формулу (14), можно определить количество проходов для мягкопластичных грунтов.

Для определения технически возможного числа проходов трелевочного трактора экспресс-методом [13] используются наконечники зонда с площадью сечения 8=10 см2 и Б ■••■ 5 см2. Эксперимент позволяет определить технически возможное число проходов трелевочного трактора от прочности фунта Р на предельно-допустимой глубине колеи и получить аналитические и фафические зависимости N от Р (рис. 4).

50 45 чо

35 ъо

23 го 15 iO S

W о,a 0J& О.гч 8,i0 о,ъб qM ом Р-,

Рис. 4. Зависимость технически возможного количества проходов TTC от прочности грунта.

1 - наконечник Гь площадью S = 10 см 2;

2 - наконечник Г2, площадью S = 5 см 2.

---------:---- - -----s

-у-

У 7е-

-

-

V. ОПТИМАЛЬНОЕ РАЗМЕЩЕНИЕ ТРЕЛЕВОЧНЫХ ВОЛОКОВ С УЧЕТОМ ПРОЧНОСТИ ЛЕСНОЙ ПОЧВЫ

Постановка задачи оптимального размещения трелевочных волоков [ 12, 14,15] рассмотрена на модели прямоугольной лесосеки, ограниченной зоной работы одной бригады или механизированного звена. При равномерном распределении запаса леса, площадь лесосеки разбивается на дополнительные прямоугольные площадки размером L X В с запасом древесины Mij, сосредоточенным в центре площадки с координатами ij :

M. =ON ,м\

У ^ V где Q - рейсовая нагрузка трелевочно-транспортного средства (TTC), м3 ; N у - количество пачек (рейсов) TTC.

Площадь сбора одной пачки деревьев определяется произведением ширины Ь захвата ВПМ или ширины полупасек при обычной технологии разработки лесосеки на длину 1. Длина 1 зависит от запаса леса на I га., рейсовой нагрузки и величины Ь. Ширина площадки В и длина L выбираются так, чтобы при подтрелевке пачек деревьев к условным центрам пасечные волоки не требовали укрепления. Выбор одного го трех возможных направлений трелевки ху или Vjj или Zy, выходящих из соответствующих точек ij, зависит от прочности лесной почвы Ру, технологически требуемого количества проходов NTjj и от протяженности направлений lxjj, lyy, lzjj. В качестве критерия для оценке эффективности вариантов схем размещения трелевочных волоков приняты суммарные дорожные и транспортные затраты С на трелевку леса.

Экономико-математическая модель размещения трелевочных волоков представлена в виде системы уравнений:

ZiEj^-^mm ^ (16)

1<^<3; (i = 1,n;j = 1,m)

Cij /(PAu,NTA,jMAij, lAij, Aij, DAij, TAij) где Aij - варианты маршрутов, выходящих из точек ij в направлениях X или У или Z; DAij, TAij - соответственно, дорожные и транспортные затраты, руб.

Выражением для целевой функции являются суммарные дорожно-транспортные затраты в принятых вариантах направлений, описываемые формулой: n m

С = ЕЕ (DX1j+Dy1j+Dz,j+TX1j+Ty,j+Tzij)-> min; i« 1 j»l при ограничениях: если Ау=Ху, то DXjj>0; ТХу>0; D Yv =DziJ=7Y„=Tzц=0; если Aij = Yij, то DYjj>0; TYjj>0; Dx^Dz^ Txy=Tzr0; если Av = Zij, mDZjj>0; Tzv>0; DXij=DYij=TXij=TYirO; атакже Wp

Дорожные затраты определяются формулой:

Da,, С1ЛШ НА, 1% р, (17) где (? Пр!П- единичные затраты на строительство и содержание I м волока соответствующего вида I, П или Ш и толщины укрепления, р/м2; HAij • толщина укрепления волока, м; lAij - протяженность участков IXij, lYij, [Zij, м, определяемая по формулам: ly.j-L, ix,-iZij-4üT¥. (i8)

Транспортные затраты определяются по формуле:

3 + С )QNTAij TAij = -^ f --^ P. (19) см где 3„ - полная сменная зарплата тракториста, р; Ст - затраты на содержание мадтно-смены TTC, р; П^ - сменная нормативная производительность TTC при среднем расстоянии трелевки /<,, и среднем объеме дерева

Кр, м3; Q - рейсовая нагрузка TTC, м3; NT А у - число рейсов TTC (пачек деревьев), проходящих через точку ij; KAij - коэффициент, учитывающий долю транспортных затрат, падающую на участки длиной Hij и определяемый из отношения KAij = lAij/lcp.

Дорожно-транспортные затраты зависят от расстояния, грузонапряженности, прочности лесной почвы и изменяются при выборе направлений по элементам сети в процессе транспортного освоения лесосеки. Поэтому размещение трелевочных волоков на переувлажненных грунтах относится к задаче динамического программирования, представляющей поэтапное планирование многошагового процесса. Рассматриваемая задача представлена системой S, которая в процессе управления U (выбора направлений) переходит из первоначального состояния S0 в конечное SK. Процесс управления разбит на k = п - ] шагов. Каждый шаг характеризуется передвижением всех пачек деревьев с i-ой на i+1 строку (i = 1, п - 1) по направлениям Ху или Yy или Zij. Управление системой S на каждом i-ом шаге осуществляется воздействием вектора управления Uij. Искомая компонента г = 1, М1 характеризует количество управлений М1 на каждом шаге, которое определяется сочетанием возможных направлений А^ в точках .у— 1, m для каждой i-ой строки. Каждое г-ое состояние системы на i-ой строке Si, г оценивается заданным критерием, определяемым суммой его значений по j: m

Ci5r= ¿С Cij, r. j = 1

Последовательность преобразований системы запишем в виде:

S^V^ÏV); 1 s2,r,r=v2(sl,r; u^r); |

8з,г,г,г ~ v3 (S2>r,r; u3(rjr); r"

- ы - '

Sk/= vk(Sk-1/"1;Uk,r); J

Последовательность векторов управления U1-r; U2i, U^ , соответствующих последовательности преобразований, выполненных по заданному критерию, является оптимальной стратегией. При этом минимальное значение функции запишем в виде: k

С ~ S Cj>r .(Si.br > (21) i=l где

Обозначив функциюминимальных дорожно-транспортных затрат на К - этапном процессе fk(St,rK), начиная с состояния S0, при использовании оптимальной стратегии получим: f(S )=rnin Z с (S ;U ). k к/ U '=1 /•/ I-1,/-1 l-r i,r

Раскрыв выражение, получим систему рекуррентных уравнений: f(S )-min [С (So;U )];

1 1 ,r JJ 1 ,r 1 ,r l,r f(S )=rnin [C (S ;U )+f(S )];

2 2 ,r,r jj 2 ,r,r I ,r 2 ,r 1 1 ,r

2 ,r f(S )=min [C (S ;U )+/ (S )] к к rj .к , , к-1 к, г к-I , . к к,г и к,г к - 1,г к -1 к,г

На основе рассмотренных положений разработан алгоритм и составлена программа размещения трелевочных волоков с учетом прочности лесной почвы.

Опьгшо-производственная проверка оптимального размещения трелевочных волоков [8, 12] проведена в реальных условиях лесозаготовок Палаузского леспромхоза Республики Коми. На основе решения получены оптимальные управления по шагам с построением схемы оптимального размещения трелевочных волоков. Анализ полученных результатов показал, что в области минимальных значений критерия оптимальности находится всего 6 % вариантов, что говорит о малой вероятности случайного выбора варианта, находящегося в этой области. Изменение себестоимости (критерия оптимальности) внутри 6 %-ой области достигает 20 %, поэтому выбор оптимального варианта даже внутри 6 %-ой области может составить значительную экономию на трелевке леса.

VI. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ВЗАИМОДЕИСТВИЯ ТРЕЛЕВОЧНЫХ СИСТЕМ С ЛЕСНОЙ ПОЧВОЙ

Лесная почва в отличие от сельскохозяйственных почв в своей структуре содержит развитую корневую систему. Существующие методы и модели оценки лесных почв рассматриваются без учета влияния армирования почвы корневой системой.

Теоретические основы взаимодействия трелевочных систем с лесной почвой изложены в работах [16, 17, 18, 19]. Деформируемость почвы (рис. 5,6) характеризуется модулем деформации:

Е0 =----1-, (22) г -г 2 1 где и - коэффициент, зависящий от формы штампа; Ь - ширина штампа, 22, осадка штампа, соответствующая давлениям <7ь V - коэффициент

Пуассона.

Согласно общепринятых моделей почву можно рассматривать как вязко-упругое тело с законом деформации (модель Максвелла): а 1 с1а

- = - + - — , (23) к т] ЕЖ где Т| - коэффициент динамической вязкости, I - время.

Если за время / > 0 действует постоянное давление, то решение имеет вид: а , / Е *

Для гусеничного трактора ? = Ь/и (Ь- длина опорной поверхности,

V - скорость движения).

Связь деформации почвы с изменением ее плотности имеет вид:

Рис. 5 Принципиальная схема деформации лесного фунта 1 - локально однородная почва, 2- древесная среда с вертикальной структурой корневой системы

Рис. 6 Принципиальная схема деформации лесного грунта 1 - локально однородная почва; 2- древесная среда с горизонтальной структурой корневой системы г -г *ь« -Я)0-у1) ь р2~рх =—--1 =-----!-(1+-) =-,

21 Н ЕоН ти ро где Н - глубина распространения деформации.

Для степенного закона деформируемость почвы: q-Агп.

Связь изменения плотности с проходимостью имеет вид:

Р - Р 2 /

1 = -1(1+^«)> (24)

Ро Н где N число повторяющихся проходов. obq{\-vl) L

Осадка после первою прохода: 2 =--------------------(1H--).

1 Е tu о

В том случае, когда нелинейный закон деформации почвы описывается функцией вида: Z a.JSL. Я / Z у =10 1 , А где (X - постоянная величина.

Получаем уравнение состояния почвы под нагрузкой: рк, -Ро 0)bq(l-v20) L х

1 + —)(l + iW. (25) о К п tua о °

При взаимодействии |усеничного движителя с почвой весовая нагрузка распределяется неравномерно: под катками давление на почву максимальное, а в средней части между катками - минимальное.

Уравнение натяжения ленты гусеничного трактора между катками имеет вид:

- <76 = 0, (26)

2 ах где Т - усиление натяжения ленты; х, /> прямоугольные координаты горизонтального и вертикального направления, соответственно (начало координат расположено в середине между катками). При вязко-упругой деформации: q=KZI1

-I---, осадка определяется формулой:

ТО

2-7 ехр(х 1' ), (27) я V I ! Т1) где 2л осадка в середине между катками; Г натяжение ленты, К постоянная величина.

Максимальное давление под катками:

С [кТ о \YKbZ~ / ('о \iKbZ / >■ где / = 1/ I + , £ - расстояние между катками, С - сила тяжести на 1 / XV пару катков.

Поэтому уравнение состояния почвы под гусеничным трактором для степенного закона деформации ночвы примет вид. е.

•о 2КЪ / /о Ь х ехр(~ ^ -у- I )! ехр(— ^ ~ ^ / ) -1, (29) а для показательною закона деформации иочвы будет выглядеть как: р* *" -о - ^)(>+—)о+-«

Ро '-о" то а * ¿лу]Ь о / /о \2кГ

Хехр{2\ Т ^/ 2(30)

Лесная почва в отличие от почвй сельскохозяйственных угодий в своей структуре содержит развитую корневую систему. С точки зрения пространственной ориентации корневой системы в почве можно выделить две характерные структуры, глубокую вертикальную и развитую горизонтальную (рис. 5, 6). Для первой деформируемость можно представить выражением: а = А2п{\-т )+А 1т . (31) д дв

Здесь /1,) - параметр твердости древесины, Ша„ - удельная поверхность вертикальной дрсвссной структуры под нагрузкой. Для второй: 5 о где Л1 , 5 - площадь соответственно горизонтальной поверхности кор-к ш невой системы иод нагрузкой и штампа.

В суперпозиционмом представлении деформируемость лесной почвы имеет вид: ш

5 Л" д = Агп(\ + ~М(1-т)+Агт (33) дв д дв ш

Поэтому уравнение состояния лесной почвы под гусеничным трактором можно записать в виде: ^ о--и„2)(1 + '-К! +

Ро Е0Н ТО V 2Г о ¡2ЛГА ехр( ^ - О 6' Л <7* -

2.УГ----[(1ч )+ <>(™<) " ].(34) о /¿кП Л Л

В связи с тем, что лесная почва нами принята многокомпонентной системой, то сё плотность можно записать в виде:

Ро = Рп<1 - т) + р№ т„ + р„ т„ + рд т^, (35) где Ре, р», р„ р> - плотность почвы, воды, воздуха и древесины, соответственно; т,,тЛ1г пористость, заполненная соответственно водой, воздухом и древесиной, т = шЛ+га, + т().

VII. ПРИКОРМОК ОБЕСПЕЧЕНИЕ МИНИМИЗАЦИИ УПЛОТНЯЮЩЕГО ВОЗДЕЙСТВИЯ ТРЕЛЕВОЧНОЙ СИСТЕМЫ НА ПОЧВУ

Приборное обеспечение на базе современных электронных систем, разработка экспресс-метода оценки свойств волока и прогнозирования уплотняющего воздействия трелевочной системы на почву [20,21,22,23] позволяет решить сложную экологическую проблему - минимизации уплотнения почвы при разработке лесосек. Даже публикации по электронным измерительным и микропроцессорным комплексам, предназначенным для экспресс-анализа свойств сложной почвенно-грунтовой опорной поверхноста для движителя и управления отрицательным воздействием трелевочной системы на почву отсутствуют.

Приборное и методическое обеспечение [22] позволяет управлять уплотняющим воздействием трелевочной системы на почву путем выбора рейсовой нагрузки и числа проходов трасс волока при разработке лесосек.

В зависимости от исходных равновесных физико-механических свойств почвы, угла склона волока, веса и структуры пачки древесины, способа трелевки, плотности почвы по длине волока от воздействия трелевочной системы изменяется; при этом пределы изменения плотности от минимальных до максимальных значений будут определяться конкретным сочетанием перечисленных выше факторов. Понятно, что как пло'шость почвы на отдельном пикете, так и изменение предела плотности не характеризуют уплотняющего воздействия трелевочной системы на почву волока в целом. Объективную оценку степени уплотнения ночвы трелевочной системой целесообрзно проводить на основе вероятностного подхода с нахождением закона распределения плотности почвы дна колеи по длине волока и анализа его статистик.

Поэтому разрабогапы экспериментально-теоретические методы определения законов распределения значений плотности почвы по длине волока в результате воздействия трелевочной системы.

Для минимизации отрицательного воздействия трелевочной системы на почву и выбора трассы волока при разработке лесосеки методически необходимо наметить несколько трасс трелевочных волоков и экспериментально-теоретическими методами получить законы распределения значений плотности ночвы по всей длине волока после прохода трелевочной системы с пачками разного веса. Анализ статистик законов распределения значений плотности почвы по длине волока позволит оптимизировать рейсовую нагрузку для конкретного волока по критерию минимального уплотнения почвы.

Анализ законов распределения значений плотности почвы по длине всех исследуемых волоков при трелевке пачек дрезины с оотималышм весом для конкретного волока позволит выбрать волок, трелевка древесины по которому обеспечит минимальное отрицательное воздействие трелевочной системы на почву при разработке лесосеки.

На мобильных машинах устанавливают бортовой компьютер, состоящий из: микропроцессора с набором программ; датчиков или преобразователей изменения неэлектрических величин в электрические; перепрограммированного постоянного запоминающего устройства (ПГОУ); регистрирующее устройство в виде кристаллического дисплея или нечатующего устройства для распечатки информации; пылевлагоне-проницаемой пленочной клавиатуры.

Для прогнозирования уплотняющих воздействий на почву от проходов трелевочной системы необходимо собрать и обработать методом вариационной статистики большой экспериментальный материал о свойствах волоков: уг лах склона, физико-механических свойствах лесной почвы. Причем на каждой лесосеке необходимо получить информацию по большому числу трасс потенциальных волоков. Электроизмерительная аппаратура для такой цели должна обеспечивать высокую производительность и надежность сбора информации, стабильность в работе, обладать простотой монтажа и обслуживания и автономией функционирования. Электроизмерительное оборудование и экспериментатора следует размещать на мобильной легкой машине высокой проходимости. Электроизмерительное оборудование должно получать питание от бортовой сети. Такое техническое решение можно назвать «мобильный измерительный комплекс» (МИК).

Рассмотрим функциональное назначение отдельных приборов и предъявляемые к ним требования. Датчики физико-механических свойств почвы должны преобразовывать неэлектрические величины в электрические, то же относится и к датчику угла склона волока. В измерительном комплексе (рис. 7) может быть до четырех датчиков, угла склона волока (ДУС), плотности почвы (ДПП), твердости почвы (ДТП), влажности почвы (ДВП).

Прочие показатели, например, числа Атгеберга, показатели сдвига, характеризующие физико-механические свойства почвы при длительном сборе информции по 15-30 трассам потенциальных волоков «экспресс-методом» с получением нескольких сотен измерений (отсчетов) в течении 3-4 минут либо практически невозможно получить, либо теряет практический смысл. После установления надежных и простых теоретических связей между отдельными показателями, характеризующими физико-механические свойства почвы число измеряемых показателей, а следовательно,и датчиков может быть сокращено до желательно 2-3. Датчики должны обладать высокой вибростойкостью, расчатаны на питание от бортовой сети машины (ИП), надежностью в работе при различных климатических условиях, иметь выходные сигналы, пропорциональные изменению неэлектрических величин, мощность которых обеспечит работу последующих приборов аппаратуры.

Обычно датчики преобразовывают нсэлектрическую величину в непрерывную электрическую - электрический сигнал. В предлагаемом измерительном комплексе электрический сигнал, поступающий от датчиков, необходимо квантовать по уровням и во времени, то есть получать информацию о физико-механических свойствах почвы и угле склона волока в дискретном виде через заданный интервал времени т. Такое квантование

ЛУС Г АШ © т! I®

0)

ДПП 1 Р © и ® |

Регистратор

• ПЭВМ

• Печатающее устрой ст&о

Вычислительный блок

• Микропроцессор

• ППЗУ

• ВОП N

Клабиатура © @

Источник питания

ИП) о X X

Рис. 7 Схема электроизмерительного комплекса электрического сигнала целесообразно выполнять аналого-цифровым преобразователем (АЦП), который выпускается серийно. Аналого-цифровой преобразователь должен обеспечивать квантование электрических сигналов на необходимое число уровней или разрядов, с целью получения необходимой информации для построения статистических рядов, и через обоснованный интервал времени, то есть методом случайных ординат (рис. 7). Для обеспечения необходимой точности и достоверности получения статистической информации о процессах число уровней статистического распределения должно быть не менее 9. В качестве примера на рис. 7 процессы квантуются на четыре уровня, номера которых обведены окружностями.

Обоснование выбора интервала времени квантования должно базироваться на характере изменения процессов, точнее на длительности периода высокочастотной составляющей процесса, и необходимой длительности измерения процесса, а в нашем случае длины «мерного участка волока». В равнинных лесах I и II группы длина волоков не должна превышать 200 м, а в лесах Ш группы - 300 м. Естественно, длина мерного участка волока может быть меньше длины трелевочного волока в целом и зависит от частоты изменения и коэффициента вариции процесса, методики систематизации, требуемой достоверности и допустимой ошибки. На этих основаниях по номограмме достаточно больших чисел или по краткой таблице достаточно больших чисел можно определить минимально-необходимое число «отсчетов» (измерений), а следовательно, и минимальную длину мерного участка волока.

Коэффициент вариации или меру изменчивости процесса малоизученного явления можно определить только измерением с регистрацией процесса и дальнейшей обработкой результатов методами вариационной статистики. Частота отсчетов в единицу времени зависит от задачи исследовательских испытаний и изменчивости процесса. При исследовании низкочастотных процессов достаточно «опрашивать» их с частотой 2 - 3 отсчета на период колебания. На трелевочную систему воздействуют процессы с частотою максимум до 2 Гц. Такие процессы можно «опрашивать» и до двух измерений в секунду. Понятно, что угол склона волока и физико-механические свойства изменяются с частотою менее 2 Гц. Следовательно, интервал времени при изучении взаимодействия трелевочной системы с волоком, получении данных для построения статистических рядов утла склона волока и показателей, характеризующих физико-механические свойства почвы можно принять т = 0,5 - 1,0 с

Исследование силовых процессов, которые во многом формируются под воздействием изменчивое™ свойств волока показали, что коэффициент их вариации находится в пределах 24 - 50 %. В наших исследованиях можно принять нижний предел коэффициента вариации, так как верхнее значение предела коэффициента вариации силового воздействия на ■трелевочную систему определяется ее динамическими свойствами, например, у трелевочного трактора значительное влияние на динамику процессов оказывает гусеничное зацепление. В этой связи определение необходимого числа отчетов можно выполнить только по «Краткой таблице достаточно больших чисел».

Обычно при испытаниях принимается вероятность 0,95 и допускается ошибка 0,05. При таком сочетании достаточно иметь 384 отсчета. При уменьшении вероятности до 0,90 и сохранении допустимой ошибки 0,05 необходимое минимальное число отсчетов уменьшается до 270. Интервал времени отсчета необходимо согласовать со скоростью движения МИК и длиной мерного участка волока. Напротив, принимаем т = 0,5 с, а скорость движения МИК 1м/с. В этом случае, в зависимости от назначенной достоверности, длина мерного участка будет 135 - 192 м. Такого числа отсчетов достаточно для получения статитистических рядов измеряемых показателей и нахождения их законов распределения.

Таким образом, сигналы от всех датчиков после одновременного квантования в АЦП по соответствующим уровням через заданный интервал времени поступают в дискретном виде на вход микропроцессора. (МП).

Программное обеспечение микропроцессора может быть разнообразным. Но основное программное обеспечение - исследование математических моделей с целью получения при каждом квантовании процессов информации об уплотнении почвы под воздействием трелевочной системы, определение выравнивающих частот (частостей) и статистик законов распределения плотности почвы по всей длине волока при вероятной трелевке трактором пачки разного веса.

Для получения статистических рядов измеряемых показателей информация должна накапливаться и храниться в блоке оперативной памяти (БОП). После математической обработки с целью получения законов распределения теоретических частостей и статистик информация поступает в регистрирующее устройство (регистратор). В этом устройстве хранятся и распечатываются или выводятся на дисплей ПЭВМ частости и статистики законов распределения плотности почвы по длине всех волоков.

Исходная информация о параметрах и свойствах трелевочной системы и ее режимах работы вводятся клавиатурой.

Предложенные приборы и методы получения, обработки и регистрации информации о взаимодействии трелевочной системы с волоком могут служить основой управления уплотняющим воздействием трелевочной системы на почву при разработке лесосеки.

УШ. МЕТОДОЛОГИЯ МИНИМИЗАЦИИ УПЛОТНЕНИЯ ПОЧВЫ ТРЕЛЕВОЧНЫМИ СИСТЕМАМИ ПРИ РАЗРАБТКЕ ЛЕСОСЕКИ

Снижение отрицательных последствий от воздействия лесосечных машин и древесины на лесную почву базируется на методологии [4, 23, 24] - научно обоснованной стуктуре, логической организации, методах и средствах выполнения всего комплекса работ.

Задача исследования сформулирована в таком виде. До начала освоения лесосеки необходимо из определенной совокупности выбрать несколько трасс волоков, обосновать число проходов трелевочного трактора по каждому волоку и объемы пачек древесины, при которых будет обеспечено минимальное уплотнение почвы лесосеки по окончании ее освоения.

Лесную почву, подверженную уплотнению в процессе разработки лесосеки, можно рассматривать как управляемую систему. Известно, что управление есть функция состояния. Будущее поведение системы полностью определяется ее нынешним состоянием и будущим управляющим воздействием. Желаемый вид выходной величины системы - минимальное уплотнение почвы лесосеки по окончании ее освоения. Нынешнее состояние системы - плотность почвы естественного сложения р0. Управляющее воздействие - выбор трассы волоков, числа проходов трелевочного трактора и объема пачки древесины для каждого волока.

Интенсивность уплотнения ночвы определяется ее физико-механическими свойствами, давлением движителя, числом проходов трелевочной системы. Давление движителя на почву зависит от типа движителя, угла склона волока (3, объема пачки древесины О, способа трелевки и других факторов.

Свойства волока, определяющие интенсивность уплотнения почвы и допустимое число проходов трелевочного трактора, изменяются по его длине часто и в широком диапазоне, поэтому анализ проводился в вероятностном представлении.

Получение исходной информации для получения законов распределения плотности почвы в колес рк (или от рейсовой нагрузки <3) после проходов трелевочной системы по участкам волока, квантованных через 0,8 - 1,2 м по его длине или с квантованием процессов по времени с т « 1,0 с, проводится измерением плотности почвы естественного сложения ро! . роп+1 и утла склона участков волока Р) . р11+1 (рис. 8).

Для участков волока существует допустимое число проходов Н, трелевочного трактора, но его проходимость в целом по волоку ограничивается участком с минимальным допустимым числом проходов Нп, поэтому в исследованиях для всех «сечений» пикетов волока принималось N На каждом участке волока длиною 0,8 -1,2 м или в каждом его сечении определялось давление движителя на почву с учетом угла склона и конкретных значений объемов пачки внутри выбранного диапазона рейсовой нагрузки.

Конечная задача минимизации уплотнения почвы трелевочной системой при разработке лесосеки сводилась к обоснованию и размещению нескольких трасс волоков из их реальной совокупности, а также рекомендации рейсовой нагрузки для каждого волока. Решение задачи базируется на анализе законов распределения р,. полученных по длине конкретного волока и для всех заданных рейсовых нагрузок. На рис. 8 приняты пять рейсовых нагрузок для всех трасс волоков, а кривые распределения приведенны для второй трассы Т2. Кроме этого накладываются ограничения по уплотнению почвы (рк) и сравнивются кривые распределения р, для каждого сочетания волок - объем пачки, при котором будет обеспечено минимальное уплотнение почвы.

В исследовании операции такие задачи относятся к обратным задачам. В нашем случае показатель эффективности - минимальное уплотнение почвы. Для конкретных лесосеки и трелевочного трактора в конечном итоге влияние факторов на показатель эффективности можно свести к двум группам: трассы волоков а и рейсовой нагрузке х

У = \У(а,Х) (36)

При заданном комплексе условий а, необходимо найти такое решение х = х , которое обращает в минимум.

Обозначим этот минимум:

У" = тт{\У(а,х)} (37) хеХ

Считаем, что есть минимальное значение (а, х)> взятое по всем решениям, входящим во множество возможных решений X.

Следует отметить, что число факторов и возможных вариантов решения весьма офаничено. Кроме этого, пачки древесины имеют «размытые контуры» и подбирать их строго по объему пачки для каждого рейса не представляется возможным. В аналогичных ситуациях рекомендуется вычислять величину V/ для каждого варианта, сравнивать между собой полученные значения и непосредственно указывать одно или несколько оптимальных вариантов, для которых W достигает минимума

Такой метод нахождения оптимального решения называется «простым перебором».

Анализ исследования взаимодействия трелевочных систем с волоком, процессов, протекающих в трансграничной зоне «движитель - лесная почва», режимов работы трелевочных тракторов и свойств трелевочных волоков, позволяет принять за основу математические модели уплотнения почвы движителями мобильных сельскохозяйственных машин с дальнейшем преобразованием их с учетом особенностей движения трелевочных систем, свойств лесных почв и транспртного освоения лесосек.

Характерная особенность состоит в том, что гусеничный движитель влияет на почву в «следе», то есть уплотняет дно колеи рк , почву боковины колеи, а также комли пачки хлыстов уплотняют почву между колеями. Пло гность почвы дна колеи в «следе» движителя принято определять: рк= po+a„V (38)

PI (1-Vo2) где ао =--------------(39)

Е„Н

V=

H - глубина распространения деформации; b - ширина движителя; v0 -коэффициент бокового расширения (коэффициент Пуассона); Е 0 - модуль общей деформации почвы; % - коэффициент интенсивности накопления необратимой деформации почвы при повторных нагружениях; IgN - десятичный логарифм числа проходов движителя но одному следу; со - коэффициент, зависящий от размера и формы опорной поверхности; q^ v - максимальное давление движителя при скорости v.

Для 1усеничного движителя L/b<7 со (0,92+0,3L/b)M, при L/b>7 ©"2,15; L - длина опорной поверхности гусеницы определяется в соответствии с рекомендациями ГОСТ 7057 - 81.

Коэффициент х для некоторых почв сельскохозяйственных угодий, характеризующихся однородностью физико-механических свойств, определен экспериментально. Если значение % не определено, исследователи мобильных сельскохозяйственных машин в ориентировочных расчетах рекомендуют принимать 1,0. Для лесньгх почв следует провести эксперименты по определению значений но можно ожидать, что резкое изменение физико-механических свойств лесной почвы даже по длине одного волока, напрмер, влажности почвы или наличие корневой системы, приведет к полной неопределенности. Следовательно, в наших »следованиях можно принять х ~ 1,0.

Показатели Ео и у0 определяются экспериментально или по эмпирическим зависимостям, методика которых изложена выше. Из формулы (38) видно, что для конкретной почвы плотность ее на глубине - под серединой опорной поверхности - зависит линейно от величины показателя уплотняющего воздействия у, определяемого зависимостью (40) и параметров движителя, характеризующих уплотняющее воздействие ходовой системы трактора. Плотность также имеет линейную функциональную зависимость от логАрифма числа проходов движителя по одному следу.

В математические модели влияния скорости трактора на максимальное давление, кроме параметров трелевочной системы, входят показатели физико-механических свойств и деформированности почвы. Совокупность показателей свойств почвы довольно сложно определить на большой площади лесосеки, да и значения их могут меняться даже по дайне одного волока. Кроме этого, расхождение расчетных значений максимальных давлений От« у на различных скоростях движения, полученные при анализе математических моделей, с экспериментальными достигает 20 %. Следовательно, теоретические методы определения влияния скорости движения трактора на максимальное давление движителя на грунт применителыш в основном для оптимизации параметров ходовых систем, а для решения проблемы снижения отрицательного воздействия трелевочных систем на лесную почву, можно признать, имеют чисто академический интерес.

Многолетнее исследования эксплуатационных режимов трелевочных тракторов показали, что более половины машинного времени процесса трелевки древесины трелевочный трактор ОТЗ во всех лесных регионах работает на Ш передаче. При этом средняя скорость трелевки изменяется в узком диапазоне. Исследование эксплуатационных режимов работы трелевочных тракторов ОТЗ в различное время года в Карелии и Ленинградской области позволяют утверждать, что средняя скорость трелевки 1,0 - 1,5 м/с. У сельскохозяйственного трактора Т-150 при изменении скорости от 1,0 до 1,5 м/с максимальное давление увеличивается от 0,012 до 0,013 МПа. Следовательно, пока отсутствуют экспериментальные данные, априори можно принять в наших исследованиях, что максимальное давление движителя на лесную почву является независимым от скорости трелевки.

В зависимости от характеристик древостоя, в основном от среднего объема ствола дерева, комли пачки при трелевке вершинами вперед оказывают различное влияние на уплотнение почвы. При крупномерном лесе комли или крона скользят и уплотняют почву между колеями.

Трелевка пачки древесины, особенно крупномерной, состоящей из хлыстов небольшого среднего диаметра, сопровождается воздействием на значительную площадь волока и часть комлей или кроны может уплотнять дно колеи, то есть уплотнение почвы «след в след».

Для оценки влияния скользящей части пачки между колеями:

РЙ = Ро+аУа (41)

У(1-©ЬЧюа1к(1+х1ё*г) (42) где р<1 - плотность почвы между колеями после воздействия древесины; Ь -ширина пятна контакта комлей или кроны; Отах к - максимальное давление комлей или кроны на почву; Уц - ушюгняющее воздействие древесины.

При этом определялись: ширина Ь, длина Ъ и площадь пятна контакта древесины, среднее и максимальное давление. Эксперимент показал, что можно принять со = 2,15.

Суммарное уплотняющее воздействие на почву Ух от гусеницы У и комлей V а можно представить так:

43)

Плотность почвы дна колеи после воздействия гусеницы и древесины Рх определяется: р£ = ро+

Исследования показали интенсивное уплотняющее воздействие на почву комлей пачки.

IX. МОБИЛЬНЫЙ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ КОМПЛЕКС

Мобильный измерительный комплекс [4, 22, 23] (МИК) предназначен для:

- измерения плотности почвы и угла склона волока;

- квантования процессов через заданный интервал времени по уровням с целью формирования статистических рядов;

- математической обработки экспериментальной информации по заданным программам и исходным данным;

- определения законов распределения и их статистик плотности почвы «в следе» движителя и пачки;

- длительного хранения полученной информации и демонстрации ее по команде оператора на жидкокристаллическом дисплее, ПЭВМ или распечатки на печатающем устройстве.

К приборам МИК предъявляются следующие общие требования:

- бесконтактный способ измерения плотности почвы с расстоянием от поверхности до датчиков не менее 0,4 м;

- надежно работать в условиях вибраций с частотой до 40 . 50 Гц и вибрационных ускорениях до 1,5§, а также при кратковременных перегрузках до 3^;

- максимальная скорость перемещения датчика плотности почвы относительно поверхности не более 0,8 м/с;

- ток питания до 100 мА от источника постоянного тока не более 24+ 10% В;

- стабильно работать при - 10 . - 40 °С;

- масса приборов не более 4 кг,

- относительная погрешность до 10%.

Измерительный комплекс целесообразно разместить на мобильной машине, а для волока с р - 0 - в ранце оператора (ранцевый вариант) перемещающихся но трассе волока со скоростью не менее 0,8 м/с, что обеспечит измерение угла склона волока и плотности почвы в виде непрерывных процессов.

Мобильный измерительный комплекс можно условно разделить на три блока (рис. 9): измерительный блок (ИБ), вычислительный блок (ВБ) и регистрирующий блок (РБ) с клавиатурой.

Измерительный блок состоит из двух датчиков И, IV, электронного таймера Ш и аналого-цифрового преобразователя (АЦП).

Для измерения плотности почвы бесконтактным способом использовался допплеровский радар миллиметрового диапазона. Прибор включает мобильный датчик непрерывного излучения миллиметровых волн и приемник отраженного от почвы сигнала, который преобразуется в допплеровский сигнал низкой (1 . 5 кГц) частоты. В прибор входят приемнопе-редающая антенна рупорного типа, полупроводниковый СВЧ-генератор на лавинно-проточном диоде, источник тока и другие устройства. Электрический сигнал пропорциональный плотности почвы, квантуется через интервал времени, заданный электронным таймером, на уровне (до 20) с ценой разряда 0,05 т/м'. Угол склона волока измеряется авиационным потенцио-метрическим датчиком угловых перемещений МУ-615А допускающим вибрационные перегрузки до 5$. Сигнал с датчика МУ-615 А квантуется по времени на уровне (до 20) АЦП с ценой разряда 1,5°.

Рис. 9 Мобильный измерительный комплекс Блок I

Математические модели определения [3 плотности почвы волока рк-р0 +Лоит Ло~ EqH Pd=PQ+XQ{jd i»

Математические модели определения давления [vT] движителя и комлей пачки трактора, Ятю^и к КОМЛИ Ятах.

G + Qf z lyb * Я^,, при Q] Ятах При Ql Я™ при Ql qL при Q; 4L при öi Ятах При Ql с д с

Рис. 9 Блок II

Память о. Частости реализации рк и Ра рассчитанные по экспериментальным данным

1 2 20 а а

Математические модели Г уш нахождения законов распределения статистических рядов плотности почвы | волока И и

Регистратор | и | (печать или ПЭВМ)

Рейс, нагруз. 0 Значения математически обработанных частостей р, и ра по разрядам Статистики распределения ■ Критерий согласия

1 2 3 . 20 X <т V в,

Яг в. в Ъ К а 0г . а . с я ¿0 »"'о х г £ 4„

Дискретные электрические сигналы, пропорциональные Р и р0> квантованные по уровням (Г) через интервал времени т поступают с АЦП в вычислительный блок, состоящий из микропроцессора БИС серии 1801 (V, VI, VIH), перепрограммируемого постоянно запоминающего устройства (ППЗУ) и устройства оперативной памяти (VII).

Клавиатура позволяет вводить в вычислительный блок параметры и показатели трелевочной системы, условий эксплуатации и режимы работы ВБ.

Параметры трактора. сила тяжести трактора - G; условная длина гусеницы - 1У; ширина гусеницы - Ь.

Показатели пачки древесины: сила тяжести пачки - Qi> Q2 ■-- Qn, сила тяжести части пачки, размещенной на тракторе - Q,' = с Q; сила тяжести части пачки, перемещающейся по волоку

Qk, = (l-C)Q.

Показатель распределения силы тяжести пачки - С.

Показатели, характеризующие физико-механические свойства почвы -Е.Н, V, X.

Число проходов трактора по волоку - N.

Время квантования процессов - х.

Коэффициент неравномерности давления ^

Предусмотрены возможности ввода клавиатурой дополнительной информации.

В каждом квантовании процессов но времени электрический сигнал угла склона волока конкретного разряда поступает в устройство IV микропроцессора и для всего заданного набора рейсовых нагрузок Qi . Qn вычисляются значения максимальных давлений движителя с^шк и древесины q^max на почву, которые передаются в устройство V микропроцессора. Одновременно в устройство V поступает электрический сигнал конкретного разряда плотности естественного сложения почвы р0. При этом в устройстве V микропроцессора собирается вся необходимая информация и выполняется расчет значений р* и ра по всем заданным рейсовым нагрузкам для конкретного участка (сечения) волока, на котором проводилось квантование процессов по времени.

В результате расчетов значения рк и pd также квантуются на 20 уровней с ценой разряда 0,05 т/м3.

В матрицу оперативной памяти VTI, которая имеет по 20 разрядов РкИ ра и «п» строк Qi. • Qn дай конкретного участка волока и каждой рейсовой нагрузки записывается по одному значению Рк и pd, полученные вычислением.

В результате для каждого сочетания трассы волока и рейсовой нагрузки в оперативной памяти формируются статистические ряды р* и ра с числом разрядов до 20.

По окончании измерения р0 и (J на трассе волока оператор дает команду на перевод статистических рядов в устройство VIII вычислительного блока и их математической обработки с нахождением статистик и выбора законов распределения.

Регистрационный блок (IX) регистратор может выполняться в виде жидкокристаллического дисплея, печатающего устройства или ПЭВМ. Полученные в результате математической обработки статистики и теоретические значения (частости) законов распределения р* и pd переводятся из устройства VIII в матрицу оперативной памяти регистрирующего блока, а по команде оператора распечатываются или выводятся на дисплей и графопостроитель.

На основании анализа законов распределения рк и pd и их статистик оператор назначает из всей совокупности несколько трасс трелевочных волоков оптимальную рейсовую нагрузку для каждого волока, сочетание которых обеспечит минимальное уплотнение почвы при разработке лесосеки.

X. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

Исследование свойств лесных почв в основном сводятся к дискретному определению плотности почвы волоков.

Проведение экспериментальных исследований [25] преследовало решение двух задач: подтверждение адекватности предложенных математических моделей и выведение законов распределения плотности почвы естественного сложения, и плотности почвы в следе гусеницы после прохода трелевочной системы.

Исследования проводились на лесосеке в квартале 15 в, 18,19 Тоснен-ского лесничества Ленинградской области в сентябре 1998 г. Площадь лесосеки 3,0 га, ликвидный запас 182 м3,в том числе деловой 120 м3, состав насаждений 6БЗС1Е+С+Б; 10С, средний объем хлыста 0,10 м3.

На первом волоке оторфяненная лесная подстилка, пронизанная корнями, достигала 5 см, а на втором такая же подстилка изменялась в диапазоне от 2 до 4 см. Почвенно-грунтовый состав на первом волоке представляет собой белевый сильно оподзолистый песок (до 24 см) с переходом в желтовато-коричневую супесь с железистыми вкраплениями. На втором волоке от подстилки до глубины 24 . 30 см идет белый суглинок с железистыми включениями.

По экспериментальным данным получены статистические ряды плотности естественного слоя р о, плотности почвы в следе рсэ, обработанным на ЭВМ, получены законы распределения.

Статистические ряды плотности почвы естественного сложения и плотности почвы в следе рД построенные по экспериментальным данным, обрабатывались на ЭВМ с целью нахождения законов распределения. Для каждого сечения (пикета) волока по математическим моделям определят лись теоретические значения плотности почвы рс и также находились законы распределения.

В качестве примера на рис. 10, 11 приведены кривые распределения Ро, Рс\ Рст и их статистики. Анализ законов распределения плотности почвы по длине волока получен впервые, который позволяет отметить, что распределение плотности почвы, в наших условиях подчиняется нормальному закону, при математическом ожидании рш = 0,78 т/м3 (0,84 т/м3) и среднеквадратическим отклонением о = 0,12 т/м3 (0,15 т/м3). Соответственно, для естественной почвы иеред проходом и после пятого прохода рт= 1,19 т/м3 (1,15 т/м3) и а = 0,10 т/м3 (0,19 т/м3).

Теоретические значения математического ожидания и среднего квад-ратического отклонения соответственно равны 1,14 т/м3 (1,22 т/м3) и 0,11 т/м3 (0,16 т/м3).

Критерий Пирсона, характеризующий степень эксперимента и теории, Хг= 2,00 (1,70), поэтому имеет место хорошая адекватность математической модели и объекта.

Рис. 10 Законы распределения плотности почвы волока от числа проходов (1 волока), а) естественного сложения; б) после пяти проходов

2.4

1.6

1.2

0,8

О.*

Т 1 1 - — г—г—Г . —1—1—1—г—г—1--Т- | I г 1 -

- б * 2Ьа«х Щ ф] ест. 0,84 | 0,15

5 пр. 1.18 ¡0.19

- т&ор. 1.22 | 0,16

X г»»1,70

-

- // \ \\ л 1 // II \\ \\ \\

1

1 1 А III. Л i 1

0,6 0,в 1,2 1.5

0,4 0,8 1,2 1.6

2.4

Рис.

11 Законы распределения плотности почвы волока от числа проходов (2 волока), а) естественного сложения; б) после пяти проходов

XI. ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ

1. Воздействие лесосечных машин и древесины на лесную почву признано сложной научно-технической проблемой экологического характера, для решения которой отсутствуют показатели оценки, модели, методика и измерительные средства; все это может сдерживать массовое внедрение современных энергонасыщенных лесосечных машин [26 - 35], проникновение рубок в регионы, имеющие почвы малой несущей способности, остановить рост механизации операций и труда в лесозаготовительной про-мьшшенносшХРЛ.

2. При исследовании взаимодействия трелевочных систем и лесосечных машин с лесной почвой применяются методы и показатели, разработанные для оценки функционирования системы «сельскохозяйственный трактор - почва - урожай» без учета особенностей лесной почвы, свойств трелевочного волока, режимов работы машины.

3. Снижение отрицательного воздействия трелевочной системы на лесную почву при разработке лесосеки следует рассматривать как фрагмент критической технологии Федерального уровня - «Технологии минимизации эколошческих последствий трансграничных воздействий».

4. Среднее давление, значение которого регламентировано «Лесово-дственными требованиями» можно применять как оценочный параметр технического уровня лесопромышленного трактора и совершенно непригодно для определения воздействия движителей на почву. Напряжение в почве создается максимальным давлением движителя.

5. В качестве показателя оценки воздействия трелевочной системы на почву рекомендуется применять ее плотность, которая является основной агрофизической характеристикой почвы, определяющей ее плодородие.

6. Разрабатываемая концепция уплотнения почвы трелевочной системой при ее движении по крутосклонному волоку значительно углубляет теорию взаимодействия лесопромышленного трактора с опорной поверхностью и изменяет представление о механике воздействия движителя и пачек древесины на элементы волока. На крутосклонном волоке значительная часть силы тяжести трелевочной системы воздействует на стенки колеи, торцы гусеничной ленты при этом могут разуплотнять почву. При трелевке хлыстов вершинами вперед комлевая часть пачки древесины из-за малой площади пятна контакта может создавать значительное давление, превосходящее давление движителя на почву.

7. Следует расширить внедрение методики и мобильной установки (АС № 1432136) для определения числа проходов по волоку трелевочного трактора, особенно в лесных регионах с малой несущей способностью лесной почвы.

8. Модели лесной почвы, пронизанной древесиной, динамика воздействия на нее трелевочной системы, а также математическое описание функционирования системы «трелевочная система - лесная почва» могут служить основой развития нового научного направления в механике лесных почв и теории движения лесопромышленного трактора.

9. Физико-механические свойства почвы и углы склона трелевочного волока изменяются довольно часто и в широком диапазоне, поэтому экспериментально-теоретические методы прогнозирования уплотнения почвы трелевочными системами при разработке лесосеки должны базироваться на вероятностном представлении показателей, характеризующих свойства волока.

10. Методология минимизации уплотнения почвы трелевочными системами при разработке лесосек и приборное обеспечение, включая мобильный измерительный комплекс (МИК) рекомендуются внедрить в лесозаготовительной промышленности для снижения отрицательных экологических последствий от техногенного воздействия на лесную среду.

11. Экспериментальные исследования показали: растительность и подстилочный слой влияют на плотность лесной почвы; например, минимальное значение плотности естественного сложения лесного легкого суглинка составляет всего 0,80.0,95 т/м3, что значительно меньше плотности аналогичного типа почвы луговины или сельскохозяйственных угодий; распределения значений плотности почвы по длине трелевочного волока в основном подчиняются нормальному закону; анализ статистик теоретических законов распределения значений плотности почвы по длине волока и законов распределения, полученных по экспериментальным данным после проходов трелевочной системы, показал хорошую адекватность математических моделей прогнозирования уплотнения почвы от воздействия движителя и древесины.

Получены приоритетные справки на: способ минимизации уплотнения почвы трелевочными системами при разработке лесосек; устройство для получения и прогнозирования законов распределения значений плотности почвы по длине волока; устройства для вырезания керна лесной почвы.

ОПУБЛИКОВАННЫЕ РАБОТЫ

Научные положения и результаты диссертации обобщены и изложены в более чем 50 работах, в том числе 4 монографиях. Ниже приводятся публикации, на которые даны ссылки в научном докладе.

1.Большаков Б. М. Перспективные технические и технологические решения при разработке лесосек гусеничными машинами с минимальным экологическим воздействием на лесную среду. - Деп. Рукописи: библиогр. указ. ВИНИТИ, 1998 г.,№ 10,№2942-ЛБ 98.- 160 с.

2.ЦНИИМЭ и научно-технический прогресс лесозаготовительной промышленности. - Под ред. Большакова Б. М. - Химки: ЦНИИМЭ. 1998.-64 с.

3.Анисимов Г. М., Большаков Б. М. Новые концепции теории лесосечных машин. - С.-Пб,: Научное издание С.-Пб. ЛТА, 1998. - 116 с.

4.Анисимов Г. М., Большаков Б. М. Основы минимизации уплотнения почвы трелевочными системами. - С.-Пб,: Научное издание С.-Пб. ЛТА, 1998.- 108 с.

5.Брейтер В. С., Большаков Б. М., Долговых Г. П. Оценка совместного воздействия природно-производственных факторов на работу лесозаготовительных машин. - Сб. научн. тр. ЦНИИМЭ, 1977 г. -9 с.

6.Андреев Л. А., Бартош П.Н., Большаков Б. М. Оценка и выбор системы машин для лесов с низкими эксплуатационными показателями. - Ж. Лесная промышленность, 1989 г., № 3.-1 с.

7.Анисимов Г. М., Большаков Б. М. Новая концепция оценки уплотнения почвы трелевочной машиной при движении по крутосклонному волоку. - Ж. Лесной журнал, 1998 г., №4.-3 с.

8. Большаков Б. М. Обоснование метода определения прочностных параметров слабонесущих лесных грунтов. - Межвуз. сб. научн. тр., ЛТА, 1987 г.-5 с.

9.Большаков Б. М. ЦНИИМЭ - головной институт лссозаготовительной отрасли. - ж. Российский лее - 99, изд. "Историк", г. Вологда, 1998 г. - 2с.

10. Большаков Б. М„ Салминен Э. О. Установка для определения нссущсй способности лесных фунтов. - Мсжвуз. сб. научн. тр., ЛТА, 1987 г. - 4 с.

11. Большаков Б. М., Салминен Э. О. Исследование деформативно-прочностных свойств грунтов для оценки проходимости тракторов. - Деп. рукописи: библиогр. указ. ВИНИТИ, 1987 г., № 6, № 1905-ЛБ. - 10 с.

12. Большаков Б. М., Салминен Э. О., Гуров С. В. Оценка работоспособности и размещение волоков на слабонесущих грунтах. - Деп. рукописи: библиогр. узказ. ВИНИТИ, 1987 г. № 12, № 2067-ЛБ. - 5 с.

13. Большаков Б. М., Салминен Э. О. Практический способ определения проходимости транспортно-трслсвочных средств (ТТС). 'Тезисы научн.-технич. конф., Сыктывкар, 1988 г. - 2 с.

14. Большаков Б. М. Автоматизация размещения трелевочных волоков. - Тсзисы докладов науч.-техн. конф., Саласпилс, 1988 г. - 1 с.

15. Большаков Б. М., Салминен Э. О., Гуров С. В. Размещение волоков на заболоченных лесосеках. - Ж. Лесная промышленность, 1988 г., №3.-1 с.

16. Большаков Б. М. Математическая модель взаимодействия движителя трелевочной машины с лесным грунтом. - Ж. Лесной журнал, 1998 г., №4.-9 с.

17. Большаков Б. М. Выбор модели воздействия трелевочных систем на лесную почву. - Деп. рукописи, библиогр. указ. ВИНИТИ, 1998 г., № 10, № 29442-ЛБ 98. - Гс.

18. Большаков Б. М., Базаров С. М. Математическая модель взаимодействия движителя трактора с пронизанной древесиной почвой. -Сб. научн. тр. ЛТА. 1998 г.- 6 с.

19. Большаков Б. М., Базаров С. М. Прогнозирование числа проходов лесотранспортных средств по плотности почвы. - Сб. научн. тр. ЛТА, 1998 г. - 5 с.

20. Акисимов Г. М., Большаков Б М., и др. Устройство для взятия проб почвы. - Заявка на изобретение. Приоритет от 26.11.98.

21. Большаков Б. М, Салминсн Э. О., Гуссв А. И. Устройство для определения несущей способности грунта. A.C. № 1432136. - Бюлл. Открытая, изобретения, 1988 г. № 39. 23.10.88.

22. Большаков Б. М. Методическое и приборное обеспечение минимизации уплотняющего воздействия трелевочной системы на почву - 7 с. -Дел. рукописи: библиогр. указ ВИНИТИ, 24.11.98. № 3435-В-98.

23. Акисимов Г. М., Большаков Б. М , и др. Способ минимизации уплотнения почвы трелевочными системами при разработке лесосек. - Заявка на изобретение.

24. Большаков Б. М., Григорьев И. В. Результаты экспериментальных исследований с вероятностной оценкой плотности лесной почвы волока. - 5 с.Деп. рукописи: библиогр. указ. ВИНИТИ, 24.11.98. № 3436-В-98.

25. Большаков Б. М. Перспективные подсистемы машин для лесосечных работ в Коми АССР. - Ж. Лесоэксплуатация и лесосплав, 1976 г., № 5. - 2 с.

26. Большаков Б. М. Машинизация лесозаготовок в рыночных условиях. -Ж. Лесная промышленность. 1995 г. № 3. - 2 с.

27. Большаков Б. М. ЕВ поиске оптимальных решений. - Ж. Лесная промышленность, 19% г. №4.-2 с.

28. Большаков Б. М. Некоторые аспекты сортиментной технологии. -Ж. Лесная промышленность, 1997 г. №1.-3 с.

29. Большаков Б. М., Можаев Д В. Новые задачи мирового лесного комплекса. - Ж. Лесная промышленность, 1998 г., № 1. - 3 с.

30. Большаков Б. М., Можаев Д. В., Рудник А.М. Об основных параметрах зарубежных лссо-wготовительных машин. Ж. Лесная промышленность, 1998 г., №2.-4 с.

31. Большаков Б. М. Направления развития техники и технологии лесозаготовительного производства. - Ж. Лесная промышленность, 1998 г., №3.-5 с.

32. Bolshakow В. М., Moshajew D. W. Holzemte in Rusland. - Forst und Technik. Marz, 3/1995. - 4 c.

33. Bolshakow В. M., Alikin G. P. Ecologically compatible technologies and machineru for thinnings in Russia. - New trends in thinnings Workshop proceedings. Zvolcn, Slovakia. September 8 - 12. 1997. -3 c.

34. Большаков Б. M., Андрюшин М. И. и др. «Сортиментовоз с колесной формулой 4 х 4» Заявка на промышленный образец № 98500631/49 от 8.06.98 г,

35. Большаков Б.М., Оскерко В.Е. и др. Решение о выдаче патента от 28. 01. 98 г. по заявке на изобретение «Падающий валец» № 97108064/13(008251) от 13. 05. 97 г.

36. Большаков Б.М., Оскерко В.Е. и др. «Комбинированное кольцевое уплотнение». - Заявка на изобретение № 97114324/06(015142) от 20 августа 1997 г.

37. Большаков Б.М., Оскерко В.Е. и др. «Кольцевой ушюгнительный элемент». - Заявка на изобретение №97114325/06(015142) от 20 августа

Просим принять участие в работе диссертационного Совета Д 063.050.01 или прислать Ваш отзыв на научный доклад в двух экземплярах с заверенными подписями по адресу: 194021, Санкт-Петербург, Институтский пер., 5, Лесотехническая государственная академия, Ученый совет.

1997 г.

ВВЕДЕНИЕ. 3

1 СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ. 7

П. НОВАЯ КОНЦЕПЦИЯ УПЛОТНЕНИЯ ПОЧВЫ ПРИ ДВИЖЕНИИ ТРЕЛЕВОЧНОЙ СИСТЕМЫ ПО

КРУТОСКЛОННОМУ ВОЛОКУ. 12

Ш. ОБОСНОВАНИЕ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ОЦЕНКИ ВОЗДЕЙСТВИЯ

ТРЕЛЕВОЧНОЙ СИСТЕМЫ НА ЛЕСНУЮ ПОЧВУ. 16

IV. ОБОСНОВАНИЕ ЧИСЛА ПРОХОДОВ ТРЕЛЕВОЧНОГО ТРАКТОРА

ПО ДОПУСТИМОЙ ГЛУБИНЕ КОЛЕИ. 18

V. ОПТИМАЛЬНОЕ РАЗМЕЩЕНИЕ ТРЕЛЕВОЧНЫХ ВОЛОКОВ В ЗАВИСИМОСТИ ОТ ПРОЧНОСТИ ЛЕСНОЙ

ПОЧВЫ. 25

VI. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ТРЕЛЕВОЧНЫХ СИСТЕМ С ЛЕСНОЙ ПОЧВОЙ. 29

VII. ПРИБОРНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ МИНИМИЗАЦИИ УПЛОТНЯЮЩЕГО ВОЗДЕЙСТВИЯ ТРЕЛЕВОЧНОЙ

СИСТЕМЫ НА ЛЕСНУЮ ПОЧВУ. 34

УШ МЕТОДОЛОГИЯ МИНИМИЗАЦИИ УПЛОТНЕНИЯ ПОЧВЫ ТРЕЛЕВОЧНЫМИ СИСТЕМАМИ ПРИ РАЗРАБОТКЕ ЛЕСОСЕКИ. 40

IX. МОБИЛЬНЫЙ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ КОМПЛЕКС. 45

X. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ. 52

XI. ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ. 56

ОПУБЛИКОВАННЫЕ РАБОТЫ. 58

• • фензия Лйф020578 от 04.07.97.

Подписано в печать с оригинал-макета 24.11.98. Формат 60x84/16. Бумага офсетная. Печать трафаретная. Печ. л. 4,0. Тираж 100 экз. Заказ № 284. С 32а.

Санкт-Петербургская государственная лесотехническая академия Издательско-полиграфический отдел СПбЛТА 194021, Санкт-Петербург, Институтский пер., 3