CC BY
5
УДК 630*375.4
Хвойные бореальной зоны. 2021. Т. XXXIX, № 4. С. 307-312
ДОПОЛНЕНИЕ К ТИПИЗАЦИИ ИСХОДНЫХ УСЛОВИЙ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ДВИЖИТЕЛЯ ФОРВАРДЕРА С ПОЧВОГРУНТОМ
М. А. Пискунов
Петрозаводский государственный университет Российская Федерация, 185910, Республика Карелия, г. Петрозаводск, просп. Ленина, 33
E-mail: piskunov_mp@list.ru
В лесоинженерной науке остаются актуальными исследования в области взаимодействия движителя трактора с почвогрунтом. Теоретические модели, описывающие это взаимодействие, разрабатываются на основе расчётных схем, которые идеализируют реальные условия.
Были проведены полевые исследования состояния пасечных волоков на лесосеках после завершения лесозаготовительных работ. Исследователь, двигаясь вдоль волока, через каждые 1,8 м описывал состояние каждого участка. После систематизации полученных описаний, были выделены 8 различных типов описаний участков, которые встречаются на волоках.
Первый тип - участки, на которых отсутствовало покрытие из сучьев; второй тип - участки с покрытием из сучьев, где уровень покрытия остаётся заметно выше уровня поверхности земли; третий тип участков -уровень покрытия на одном уровне с поверхностью; четвертый тип - несмотря на присутствие покрытия, образовалась колея. Пятый тип - в местах прохода колёс трактора располагается пень. Шестой тип - участок армирован корневой системой, заметно препятствующей образованию колеи. Седьмой тип - участок, располагающийся по следу машины сразу за пнём. Восьмой тип - участки, состояние которых отличается по левой и правой колеям, образованных от проездов трактора.
Расчётные схемы для составления теоретических моделей, описывающих взаимодействие движителя с почвогрунтом, будут отличаться для разных типов участков. Для описания результатов такого взаимодействия вдоль длины всего волока, в этом случае, необходим набор моделей, вследствие того, что для каждого типа участка будет своя расчётная схема. Выполнение инженерных расчётов для решения практических задач в такой постановке будет усложнено. Исследователям необходимо вести работу в сторону создания универсальной модели, действующей в пространстве некоторых допущений, с системой поправочных коэффициентов, корректирующих модель в сторону учёта реальных производственных условий, либо сосредоточиться на создании программной системы, предлагающей готовые решения при минимальном количестве исходных параметров.
Ключевые слова: лесозаготовительные работы, трелёвка, волок, почвогрунт, форвардер, образование колеи.
Conifers of the boreal area. 2021, Vol. XXXIX, No. 4, P. 307-312
ADDITION TO THE CLASSIFICATION OF INITIAL CONDITIONS FOR THE MODELLING OF THE PROCESSES OF INTERACTION OF FORWARDER WHEELS WITH SOIL
M. A. Piskunov
Petrozavodsk State University 33, Lenin Str., Petrozavodsk, Republic of Karelia, 185910, Russian Federation E-mail: piskunov_mp@list.ru
In forest engineering, investigations in the field of interaction of tractor wheels with soil remain relevant. Theoretical models describing this interaction are developed on the basis of design schemes that idealize real conditions.
Field studies were carried out of the conditions of skidding trails at logging areas after finish logging operations. Researchers, moving along the skidding trail, every 1.8 m described the condition of each plot. After systematization of the received descriptions, 8 types ofplots were identified, which are found on the skidding trails.
The first type is plots that there was no a logging slash covering. The second type is plots with a slash covering, where the level of the covering remains noticeably higher than the level of the ground. The third type is plots where the level of the covering is flush with the ground. The fourth type is plots where, despite the presence of the covering, a rut was formed. The fifth type is plots where a stump is located in the places where the tractor wheels pass. The sixth type is plots which are reinforced with a root system that noticeably prevents the rut formation. The seventh type is the plots located on the trace of a wheel of immediately after a stump. The eighth type is plots, where the conditions on the left and right tracks differ.
Design schemes for drawing up theoretical models that describing the interaction of wheels with the soil will differ for different types of the plots. To describe the results of such interaction along the length of a whole skidding trail, in this case, a set of models is required, due to the fact that for each type of the plot there will be its own design scheme. Realization engineering calculations for solving practical problems in such a setting will be complicated. Researchers need to work towards creating a universal model, that operates in the space of certain assumptions and is completed with a system of correction factors that correct the model in accordance with real production conditions or to focus on development of a software system that offers ready-made solutions with a minimum number of entering initial parameters.
Keywords: logging, skidding, skidding trail, soil, forwarder, rutting.
ВВЕДЕНИЕ
Одним из традиционных направлений исследований в области лесотехнических наук является исследование воздействия проездов лесозаготовительных машин на лесную почву (грунт) или в используемой, исследователями, терминологии почвогрунт. Среди формализованных критериев для оценки этого воздействия наиболее часто используются следующие критерии: уплотнение почвы (почвогрунта) и глубина колеи. В каждом поколении исследователей - лесо-инженеров, всегда существует группа исследователей системно работающих в области изучения взаимодействия лесозаготовительной машины и лесного поч-вогрунта или последствий такого взаимодействия, к ним можно добавить отдельных исследователей, которые отмечаются единичными научными работами в этом направлении.
Выполняются экспериментальные и теоретические работы, посвященные как вопросам построения моделей, описывающих воздействие трактора на лесную почву, так и вопросам изучения влияния различных факторов на результаты этого воздействия. В работе [1] представлен подробный анализ зарубежных публикаций, посвящённых этой теме.
Экспериментальные работы связаны с проведением эксперимента в полевых условиях, когда предварительно до проездов техники измеряются свойства почвы на участке, где будут осуществляться проезды и далее осуществляется контроль этих же свойств, как между повторными проездами, так и после всех проездов трактора по этому участку. Полученные результаты экспериментов обрабатываются методами математической статистики, далее проводится анализ о влиянии тех или иных факторов на изменение выбранного формализованного критерия, характеризующего в данном эксперименте результат воздействия трактора на почву. Экспериментальные исследования проводятся как на некоторых модельных участках полигонов, не связанных с лесозаготовительными работами, так и в реальных производственных условиях, непосредственно, на волоках.
Теоретические работы, выполненные специалистами, обладающими классическим лесоинженерным образованием, часто представляют собой некоторую отраслевую адаптацию, уже известных подходов и методов моделирования изменения свойств грунта под внешним воздействием, которые предложены в областях, где исследования принимают общий характер в отличие от лесоинженерных задач. Например, для построения моделей взаимодействия движи-
телей лесных машин с поверхностями движения используют положения механики грунтов [2].
Большое разнообразие различных свойств грунта и их сочетаний в совокупности с разнообразием характеристик внешних, воздействующих на грунт факторов, существенно усложняет процесс построения адекватных универсальных теоретических моделей, в частности в работе [3] применительно к свойствам почвогрунтов это подчёркивается. В этой связи, это часто приводит к построению некоторых частных теоретических закономерностей либо зависимостей, обладающих значимостью для сообщества исследователей, но мало приспособленных для решения практических инженерных задач в реальном секторе производства. В отдельных работах, авторы предлагают уравнения, описывающие процессы взаимодействия движителя с почвогрунтом, которые решаются численными методами [4].
Модели, построенные на основе результатов полевых экспериментов, отличаются большим разнообразием, например, в работе [5], в которой проведён подробный системный анализ эмпирических моделей, предложенных в работах различных авторов, указано 8 моделей. В одной из последних экспериментальных работ [6], авторы в аннотации указывает на 5 моделей, построенных на основе экспериментов, причем эти модели разделяют на те которые, обладают скорее исследовательским интересом и на те, которые подходят для практического применения.
В исследованиях, направленных на изучение взаимодействия движителя с повочгрунтом в области лесозаготовительных работ, рассматривают, помимо общих факторов, характерных для любой системы «движитель-почвогрунт» (свойства грунта, размеры движителя, масса машины и другие) и дополнительные специфические факторы, которые порождаются особенностями самого технологического процесса (например, факторы, связанные с укрепление участков волоков лесосечными отходами). В данной статье рассмотрим пасечный волок в целом, как специфический транспортный путь, встречающийся только в лесозаготовительных работах. Выполним анализ того, каким образом фактор волока влияет на исходные данные, которые дополнительно необходимо учитывать при разработке моделей, описывающих взаимодействие движителей форвардера с почвогрун-том в процессе трелёвки, в том случае если задача стоит определять уплотнение или образование колеи на всём волоке (по всей его длине), а не только на отдельных его участках.
Цель работы: провести полевые исследования волоков после завершения лесозаготовительных операций на лесосеке и типизировать участки волоков по исходным условиям, которые дополнительно необходимо фиксировать при постановке эксперимента или разработке теоретической модели, описывающей изменение состояния участка. В качестве признака для типизации выступает состояние участка волока после выполнения всех проходов лесозаготовительных машин.
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ
ИССЛЕДОВАНИЙ
Визуальный осмотр волоков на лесосеках после проведения на волоках всего объема работ, но до момента уборки лесосек и сдачи лесосек представителям лесничеств. Фотографирование характерных участков. Замер глубины колеи на участках. Фиксирование видимых повреждений участков.
Измерения и визуальный осмотр проходил на лесосеках, где осуществлялась заготовка древесины по сортиментной технологии с помощью системы машин: харвестер и форвардер. Исследования проводились в летний период на участках Пряжинского лесничества (Республика Карелия). Вид рубки - рубка спелых и перестойных лесных насаждений. Форма рубки - сплошная. Запас ликвидной древесины 232 м3/га. Площадь - 10,9 га. Ширина пасек 20 м. Исследовались волока длиной 80-100 м. Лесосеки характеризовались наличием переувлажненных грунтов только на отдельных участках, которые занимали незначительную площадь по сравнению с площадью лесосек. Влажность грунта в местах образования колеи - 24-44 %.
Регистрация участков с теми или иными свойствами проходила следующим образом: исследователь двигался по волоку и через каждые 1,8 м осуществлял описание состояния того или иного участка и его особенности. Если на участке обнаруживалась колея, измерялась глубина колеи. В качестве основных описательных характеристик, которые отмечал исследователь, выступали следующие: наличие колеи на участке; наличие покрытия из отходов; присутствие пня или корневой системы; если участок был покрыт отходами, то регистрировался уровень покрытия - покрытие из отходов возвышается над поверхностью земли или находится на одном уровне с поверхностью. Также исследователь составлял общее описание состояния волоков на основе собственной экспертной оценки. При осмотре волоков и измерении глубины колеи было отмечено то, что большая часть длины волоков, приходилась на участки с покрытием из сучьев разной толщины, но на каждом волоке наблюдалось не менее 5 типов участков, которые приводятся в данной статье.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Общее описание состояния волоков в ходе их визуального осмотра:
- в качестве дополнительного формализованного критерия, с помощью которого оценивается масштаб повреждений необходимо добавить параметр - непрерывная длина колеи, вследствие того, что колея может образовываться участками с разрывами;
- требуется уточнение методики измерения глубины колеи, а именно с какой точностью измерять глубину колеи - с точностью до 1 см или до нескольких сантиметров и от какого уровня считать колею - от уровня поверхности земли или от уровня, в котором учитывается выпирание части грунта вверх. Требуется конвенция в научной среде, что считать приемлемой точностью;
- колея меняется по длине волока, это вызвано в большей степени даже не проходами трактора, а мозаичностью свойств грунта и наличием «хворостяной подушки». Хворостяная подушка оказывает защитное действие и снижает интенсивность образования колеи, но толщина этой подушки, образованная в результате естественного хода процесса, в разных местах разная. Верхний уровень подушки даже после всех проходов трактора может оставаться выше поверхности земли;
- влияние высоты подушки оказывает влияние на глубину колеи на участках, свободных от сучьев и следующих после участков, на которых сформирована хворостяная подушка;
- дополнительное влияние оказывает пневокорне-вая система, армирование корнями на волоках образует выраженные участки, где колея не образовывается или интенсивность её образования заметно ниже;
- на некоторых участках хворостяная подушка сформирована, но все равно обнаружено её продавли-вание и образование колеи.
В ходе освидетельствования для каждого волока составлялась диаграмма. Пример диаграммы представлен на рис. 1. Обозначения на рисунке 1: АС - на участке была зафиксирована хворостяная подушка, колея ниже уровня поверхности земли не образовалась; ПК - зафиксировано наличие пня или корневой системы; число, например 25, - глубина колеи в см и на участке отсутствуют сучья в качестве хворостяной подушки; АС+20 - зафиксировано наличие хворостяной подушки и колеи глубиной 20 см.
На основе собранных данных все полученные описания были разделены на группы и выделен типовой набор. Представим перечень типовых участков, обнаруженных на каждом волоке, и схематичное их изображение в соответствии с рис. 2:
Набор включает следующие участки:
- участки непокрытые сучьями («чистая» поверхность) и не армированные корневой системой. На таких участках глубина колеи зависит от свойств грунта. Колея может образовываться, но может и не образовываться (рис. 3) в зависимости от свойств грунта;
- участки, на которых образовалась хворостяная подушка из сучьев. Величина покрытия из сучьев может отличаться. Эти участки разделим на две группы: первая - покрытие из сучьев после всех проходов заметно возвышается над поверхностью земли (рис. 4, а); вторая - покрытие на одном уровне с землёй, то есть, отсутствует явно выделяющаяся куча сучьев на волоке (рис. 4, б);
- участки, на которых сформировано покрытие из сучьев, но проезды трактора все равно продавили покрытие и образовали колею (рис. 5, а);
- на участке присутствует пень (рис. 5, б);
- участок армирован корневой системой, которая препятствует образованию колеи (рис. 6). В частности, на обследованных волоках колея на участке без армирования, например, составила 65 см, а на абсолютно таком же участке, но с армированием - 7 см;
- участки, на которых не было сформировано покрытие из сучьев, но которые располагаются по ходу
движения трактора сразу же за пнем или за участком с большой толщиной хворостяной подушки;
- участки, у которых условия в левой колее сильно отличаются от условий в правой, например, в левой колее образовано покрытие из сучьев, в правой - нет и прочее, (рис. 7).
Рис. 1. Пример диаграммы, построенной на основе освидетельствования одного волока
Рис. 2. Условная схема участка
Рис. 3. Пример участка без покрытия из сучьев
Корневая система
Рис. 6. Примеры участков, армированных корневой системой
Рис. 7. Примеры участков, у которых свойства левой колеи и правой отличаются
В связи с тем, что в практике теоретического моделирования процессов взаимодействия движителя лесозаготовительной машины с почвогрунтом, как правило, вначале составляется некоторая упрощённая расчётная схема, для которой выводится аналитическая модель, то для решения практических задач
представленная дискретизация волока определяет необходимость иметь набор моделей. Появление этого набора необходимо, когда осуществляется предварительный анализ и расчёт возможных повреждений по всей длине волока, а не только для какого-то выделенного участка.
Количество моделей в наборе определяется количеством участков, отличающихся устройством поверхности волока и принятыми расчётными схемами. В соответствии с представленными данными в качестве основных расчётных схем, модели для которых могут принимать разный вид, выступают следующие схемы: двухслойное основание, трёхслойное основание, многослойное слабодеформируемое основание -участки с покрытием из сучьев; основание с армированием - участок с корневой системой; многослойное основание с верхним деформируемым слоем, работающим на изгиб без среза элементов - участки с покрытием из сучьев и образованием колеи; покрытие состоящее из слоёв, на которое действует дополнительная динамическая нагрузка - участки, находящиеся после пня по ходу движения трактора.
Постановка задачи, когда необходимо иметь набор моделей, для реальной инженерной практики не удобна. Но накопленный массив научно-технической информации в этой сфере представляет обширные данные для ведения работы в альтернативном направлении. Альтернативное направление в существующей парадигме лесоинженерной науки, связано с формулированием некоторой обобщённой теоретической модели, определения пространства допущений, в которых эта модель работает и систему отраслевых эмпирических (поправочных) коэффициентов, корректирующих модель в сторону учёта реальных производственных условий, изменяющихся по длине волока. В этом случае разработка системы поправочных коэффициентов для решения практических задач сопряжена с приоритетом проведения полевых экспериментов в научных исследованиях.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Все рассмотренные типовые участки были обнаружены на исследованных волоках. Всего выделено 8 типовых участков, которые отличаются друг от друга устройством покрытия поверхности, если рассматривать движение форвардера по волоку как по транспортному пути. Особенности устройства покрытия на каждом участке и варьирование характеристик покрытия по длине волока определим как дополнительный влияющий фактор на процессы образования колеи и её распределения по длине волока. Системные исследования поведения каждого типа участка в процессе проездов форвардера предоставят дополнительную информацию для анализа процессов взаимодействия трактора с почвогрунтом в лесозаготовительном процессе по длине всего волока, а не для какого-то отдельного участка.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЕ ССЫЛКИ
1. Cambi M., Certini G., Neri F., Marchi E. The impact of heavy traffic on forest soils: A review // Forest Ecology and Management. 2015. № 338. P. 124-138.
2. Бурмистрова О. Н., Тетеревлева Е. В., Григорьев И. В., Куницкая О. А., Мануковский А. Ю., Рудов С. Е.,
Востриков Д. С. Основа математических моделей взаимодействия колёсных движителей лесных машин с поверхностями движения // Лесотехнический журнал. 2020. № 1(37), том 10. С. 173-184.
3. Агейкин Я. С., Вольская Н. С. Проблемы представления характеристик грунтов в математических моделях движения колёсных машин // Вестник Московского государственного технического университета им. Н. Э. Баумана. Серия Машиностроение. 2005. № 1(58). С. 44-53.
4. Никифорова А. И., Хитров Е. Г., Пелымский А. А., Григорьева О. И. Определение осадки при движении лесозаготовительной машины по двуслойному основанию // Учёные записки Петрозаводского государственного университета. 2014. № 2(139). С. 87-91.
5. Дмитриева М. Н., Григорьев И. В., Рудов С. Е. Анализ исследований взаимодействия колёсного движителя лесных машин со слабонесущим почвогрун-том // Resources and Technology. 2019. № 1, том 16. С. 10-39.
6. Siren M., Salmivaara A., Ala-Ilomaki J., Launiai-nen S., Lindeman H., Uusitalo J., Sutinen R., Hanninen P. Predicting forwarder rut formation on fine-grained mineral soils // Scandinavian Journal of Forest Research.
2019. Vol. 34, no. 2. P. 145-154.
REFERENCIES
1. Cambi M., Certini G., Neri F., Marchi E. The impact of heavy traffic on forest soils: A review // Forest Ecology and Management. 2015. № 338. P. 124-138.
2. Burmistrova O. N., Teterevleva E. V., Grigor'ev I. V., Kunickaya O. A., Manukovskij A. Yu., Rudov S. E., Vostrikov D. S. Osnova matematicheskih modelej vzai-modejstviya kolyosnyh dvizhitelej lesnyh mashin s poverhnostyami dvizheniya // Lesotekhnicheskij zhurnal.
2020. № 1(37), tom 10. S. 173-184.
3. 3. Agejkin Ya. S., Vol'skaya N. S. Problemy pred-stavleniya harakteristik gruntov v matematicheskih modelyah dvizheniya kolyosnyh mashin // Vestnik Mosk-ovskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta im. N. E. Baumana. Seriya Mashinostroenie. 2005. № 1(58). S. 44-53.
4. Nikiforova A. I., Hitrov E. G., Pelymskij A. A., Grigor'eva O. I. Opredelenie osadki pri dvizhenii leso-zagotovitel'noj mashiny po dvuslojnomu osnovaniyu // Uchyonye zapiski Petrozavodskogo gosudarstvennogo universiteta. 2014. № 2(139). S. 87-91.
5. Dmitrieva M. N., Grigor'ev I. V., Rudov S. E. Analiz issledovanij vzaimodejstviya kolyosnogo dvizhite-lya lesnyh mashin so slabonesushchim pochvogruntom // Resources and Technology. 2019. № 1, tom 16. S. 10-39.
6. Siren M., Salmivaara A., Ala-Ilomaki J., Launiai-nen S., Lindeman H., Uusitalo J., Sutinen R., Hanninen P. Predicting forwarder rut formation on fine-grained mineral soils // Scandinavian Journal of Forest Research. 2019. Vol. 34, no. 2. P. 145-154.
© Пискунов М. А., 2021
Поступила в редакцию 13.02.2021 Принята к печати 20.08.2021
