CC BY
32
КРИТЕРИИ ОЦЕНКИ ЭКОЛОГИЧЕСКОГО ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ГУСЕНИЧНЫХ ЛЕСНЫХ ТРАКТОРОВ С ПОВЕРХНОСТЬЮ ЛЕСОСЕК
Дроздовский Г.П., Шоль Н.Р. (УГТУ, г. Ухта, РФ)
Techniques of definition of normalized (admissible) and actual levels of an estimation of ecological interaction in system "district-machine " are considered.
В концепции развития лесного хозяйства Российской Федерации на 2003-2010 г.г. основной стратегией лесопользования в России должен стать принцип вовлечения в эксплуатацию всех регионов, при приоритете СевероЗападной зоны в связи с развитостью транспортных и перерабатывающих структур. Лесосырьевой потенциал Северо-Западной зоны, доступный для лесопользования (по хвойным породам) составляет: площадь - 39422 тыс. га (в том числе
-5
спелых и перестойных 20360 тыс. га); запас древесины - 4,41 млрд. м (в том чис-
-5
ле спелых и перестойных - 2 млрд. м ). Соответственно, по Республике Коми -
-5 -5
14900 тыс. га (9060 тыс. га); 1,61 млрд. м (1,2 млрд. м ); и по породам - сосна 24% площади, ель - 55%, лиственные - 21% [1].
Основным сдерживающим фактором эффективного лесоиспользования Северо-Западной зоны (в районах Сибири этот фактор еще более отрицательно выражен) является почвенно-грунтовое ограничение проведения работ.
По Республике Коми категории грунтов распределяются следующим образом: I категория - 4%; II - 30%; III - 18% ([qj < 50 кПа); IV - 48% ([qj < 30 кПа) [1].
Из-за низких показателей почвенно-грунтовых условий применения лесозаготовительной техники возникают две основные проблемы:
- снижение эффективности применения машин в этих недостаточных по тяге и проходимости параметрах поверхности;
- нарушение экологических требований допустимого взаимодействия в системе "местность-машина".
Низкая несущая способность поверхности лесосек в условия переувлажнения (W% > 25%), а это грунт III и IV категорий (66% всей лесопокрытой площади Республики Коми), высокое удельное давление q у машин в опорной зоне гусениц (q > 44 ^ 62 кПа), неравномерность распределения этого давления по опорной зоне (Кн > 1,8) в процессе технологических перемещений машины снижают их опорно-сцепные тяговые параметры (реализация класса тяги составляет 20-30% от паспортного значения). При этом увеличивается глубина колеи h, вплоть до исчерпания дорожного просвета (клиренса) машин при одновременном увеличении их буксования, что приводит к ухудшению экологических требований процесса взаимодействия с разрушением экосреды.
Отсутствие нормативных требований к допустимому уровню экологического взаимодействия в системе "местность-машина" определило направление научного обоснования критерия оценки фактического экологического взаимодействия Кэ лесных машин с деформируемой поверхностью при низкой несущей способности [2] в виде Кэ = П^ф-е1, где Псц - критерий проходимости, ф - коэффициент
сцепления гусениц, £ = к! Нг - модуль осадки, к - глубина образуемой колеи, Нт - глубина деформируемого слоя поверхности.
Предлагаются две методики расчета критерия Кэ:
- нормативный (допустимый) уровень экологического взаимодействия в виде:
4
к„. =
Н
Ч
Ро~/с
(1)
где [д5]Н - несущая способность поверхности (кПа) с учетом [д5] = /(Ж%, Вк), где Вк - показатель консистенции поверхности; ф0 - рекомендуемый по справочникам коэффициент сцепления, задаваемый по началу буксования с учетом 10% его допустимого изменения; /с- коэффициент сопротивления движению трактора (диапазон вариации задается справочными данными);
- расчетный (фактический) уровень К , определяемый с учетом вариации
[д5]факт от Вк, '№%о и Нг, состава поверхности и параметров трактора (Осц - вес трактора с нагрузкой) и гусеничного обвода (^ - площадь гусеницы, в опорной зоне, размеры траков) в виде:
4. "
Кэр = п.
где [д5]фа
Он - О)
V,
= /(Ш, С0;
/ о 2 V 2Мо
<Рх
сц-ф- £~Х =
Нг) с
15 факт
1-
= с0-в
<р1=<р*
Псц-(р, (2)
осадки И трактора [3], где
В, где С0 и ф° - исходные параметры
Ч
учетом
сцепления частиц грунта и коэффициента их внутреннего трения при д = О (зависят от начального уровня Вк /{!¥%), а С01и (з" - параметры грунта при с/ > 0, зависящими от осадки И трактора. Объемы осадки и общей деформации массива грунта под опорной зоной гусениц ¥о = ЕРТ-Н, ЕЕТ-НТ.
Критерий проходимости гусеничных тракторов Псц = 1 - fclф. Коэффициент сцепления ср определяется с учетом удельной тангенциальной силы отпора грунта т = qtg(p° +С01, действующей на грунтозацепы гусениц и с учетом коэффициента трения гусеницы о грунт/г.
1/<\
<Р =/г +
<я
*!>Ш + С,
01
где ЕГгг = пИгЬг - суммарная площадь грунтозацепов гусениц, где п - число траков в опорной зоне гусениц, Иг, Ьг - высота и ширина грунтозацепов (Иг= 0,065 м , Ьг =0,32 м для ТДТ-55А; Иг=0,65 м, Ьг=0,49 м для ТЛТ-100) Таким образом
Кр =
4.
£ факт
Ч
•П
У/7
./;.+— Фт +С0
(3)
Параметры тракторов ТДТ-55А, ТЛТ-100 и их гусеничных обводов приведены в таблице 1.
Таблица 1 - Параметры тракторов и гусеничного обвода
Тип трактора кН Параметры гусеничного обвода в опорной зоне гусениц q, кПа
n , м2 ¿Fpj. , м2
ТДТ-55А 128 32 2,05 0,666 62
ТЛТ-100 180 42 4,1 1,338 44
Конкретный расчет уровней Кэн и Кэр проведен для тракторов ТДТ-55А (с
заводскими грунтозацепами и с дополнительными поворотными грунтозацепами для увеличения коэффициента сцепления ф за счет нового характера взаимодействия с деформируемой поверхностью [4]) и ТЛТ-100 (только для заводских траков).
Нормируемый критерий Кэн при 5% = 0 и в диапазоне допустимого буксования 5% = 10% определен с учетом трех состояний глинистой поверхности [5] для допустимого диапазона изменений (таблица 2):
- пластичное (W% = 25%; Вк < 0,5; [q]H = 750 кПа; ф = 0,4; fc = 0,15; Со= 40 кПа; ф0 = 180; Ио = 0,225);
- мягкопластичное (W% = 30%; Вк < 0,75; [qs]K = 725 кПа; ф = 0,35; fc = 0,2; С0 = 20 кПа; ф0 = 140; ¡0 = 0,275);
- текучепластичное (W% = 40%; Вк < 1,0; [qs]K = 675 кПа; ф = 0,3; fc = 0,25; С0 = 10 кПа; ф° = 8°; ¡и0 = 0,35).
Средняя глубина колеи h для этих состояний поверхности h = 0,1 ± 0,05 м доя ТДТ-55А, h = 0,06 ± 0,02 м для ТЛТ-100 [2];/г = 0,1; Яг = 0,5 м.
Таблица 2 - Значения нормируемого уровня критерия Кэн
W% Трактор г ГДТ-55А Трактор т ГЛТ-100
Кэн (5% = 0) Кэн (5% = 10) Кэн (5% = 0) Кэн (5% = 10)
25% 3,03 2,54 4,3 3,6
30% 1,76 1,35 2,5 1,9
40% 0,55 0,22 0,77 0,31
При определении фактического значения [д^факт = /(Нг, д, с учетом Нг= 0,5 м по методике [3] использованы корреляционные уравнения вида: /дУфакг = -А• Н3 + В• Н2 - СНг + Б, кПа при у = 0,95. Значения коэффициентов корреляционной связи приведены в таблице 3.
Таблица 3 - Значения коэффициентов корреляционной связи [дл]факт, кПа
W% ТДТ-55А ТЛТ-100
А В С D А В С D
25 57,7 223,7 457,7 760,5 46,6 189,4 373,7 774,6
30 27,5 95,0 177,3 309 20,4 74,8 134 297
40 17,2 53,2 89,4 163,9 6,7 22,3 44,3 142,3
Значения расчетного (фактического) уровня критерия оценки экологического взаимодействия Кэр приведены в таблице 4.
Таблица 4 - Значения фактического значения К
эр
^/о ТДТ-55А ТДТ-55А с ПГ ТЛТ-100
25 3,06 7,13 5,69
30 0,458 1,44 0,85
40 -0,077 0,272 -0,062
Анализ значений критериев Кэн и Кэ/7 показывает (рисунки 1 и 2) полную
(при > 26%) экологическую несовместимость тракторов ТДТ-55А и ТЛТ-100 с деформируемой глинистой поверхностью с толщиной Нг = 0,5 м, т.е. с экологической точки зрения (образуемая колея И и большое буксование) применение рассматриваемых тракторов недопустимо из-за разрушения экосреды.
В УГТУ разработан новый способ экологического взаимодействия существующих лесных тракторов с деформируемой влажной поверхностью лесосек [4], позволяющий увеличить один из важнейших параметров этого взаимодействия -коэффициент сцепления (р для обеспечения в этих условиях необходимого уровня тяги и проходимости. Применение поворотных от опорных катков ходовой части трактора дополнительных грунтозацепов (ПГ) создает условия образования "искусственного" опорного слоя под гусеницами, повышая тангенциальный отпор грунта, что позволяет увеличить коэффициент сцепления (р.
Объемное сжатие грунта в опорном слое при повороте ПГ с созданием дополнительного тангенциального воздействия (д и тпг) уменьшает консистенцию Вк среды за счет уплотнения и понижения влажности 1¥%. В этом случае увеличиваются прочностные параметры грунта до уровняС0 и и увеличивается коэффициент сцепления (рш, который определяется по формуле:
гг 2
Я>пг = /г + ■
ссц
0,ШУГ *- Ку Ь\г
(4)
ту. [^/^Зфак ту
а КЭРПГ = 11 сцПГ ' ФпГ ■
ё
где ср\ и С02 - прочностные параметры грунта с учетом уменьшения влажности 1¥% в опорном слое от ПГ и осадки И трактора; С02 = В • С01; (р\=В-(р1, где В-
определен ранее, при Ж% = 25 - 30% С01 =86-Д^ -171,83 -В^ +91,7(^0,95); при Шо = 40% С01 - 62 • В,2 -151,53 • Я. + 98,2, т.е. для Шо = 25; 30; 40% соот-
кт кт
ветственно С02=68; 36,1; 19 (кПа). При Ж%= 25-40% а-к = -2,43 • В1 -12,13-Я +22 (у = 0,95), т.е. для Шо = 25; 30; 40% соответст-
' 1 кт кт
венно (Р2 =22,7°; 18,7°; 12,29°. Для трактора ТДТ-55А поворотные грунтозацепы уг = 0,15 м; Ьуг = 0,3 м; Fуг=
л
с параметрами Иут = 0,15 м; Ьут = 0,3 м; FyГ= 0,045 м ; ппт = 8, обе гусеницы в опор
Жпг_ 0,045-8 _„.1л.3„з.
ной зоне (всего на трактор ипш = 20); К = —— = —-= 0,541; V) =53-10" м
0,6656
Ку =/(Ц?%,р,1Ло) соответственно для = 25; 30; 40%, равен Ку = 0,0734; 0,081; 0,1025.
Расчетные значения коэффициента сцепления фш при №%о = 25; 30; 40% соответственно равен: фпг = 0,912; 0,572; 0,385. Расчетные значения К с ПГ при-
ведены в таблице 4. На рисунках 1 и 2 приведены характеры изменения Кэн и Кэ/7 для сравниваемых тракторов.
Рисунок 1 - Характерное изменение Кэн и Рисунок 2 - Характерное изменение Кэ
К эр для ТДТ-55
и Кэр для ТЛТ-100
эр
Применение дополнительных поворотных грунтозацепов позволяет обеспечить экологическое взаимодействие ТДТ-55А с глинистым грунтом до влажности W% = 32% при д% = 10% буксования трактора с резким повышением тяговых свойств и проходимости трактора при W% = 25% в 1,9 раза при запасе экологического взаимодействия Кэ /Кэ - в 2,36 раза, что практически отсутствует при
использовании обычных тракторов без ПГ.
Литература
1. Ананьев, В.А. Промежуточное пользование лесом на Северо-Западе России [Текст]: учебное пособие / В.А. Ананьев, А. Асмкайнен, Э. Вяльккю и др.- Иоэнсуу: НИИ леса Финляндии, 2005.- 150 с.
2. Дроздовский, Г.П. Исследование уровня экологического взаимодействия лесных трелевочных тракторов с деформируемой поверхностью [Текст] / Г.П. Дроздовский, Н.Р. Шоль// Актуальные проблемы лесного комплекса: сб. науч. тр. по итогам МНТК. Вып. 12.-Брянск: БГИ-ТА, 2005.- С. 116-119.
3. Дроздовский, Г.П. Исследование влияния параметров грунта на критерий оценки экологического взаимодействия в системе "местность-машина" [Текст] / Г.П. Дроздовский // Актуальные проблемы лесного комплекса: сб. науч. тр. по итогам МНТК. Вып. 16.-Брянск: БГИТА, 2006.- С. 11-15.
4. Дроздовский, Г.П. Способ взаимодействия гусеничного двигателя лесной трелевочной машины с деформируемой поверхностью лесосеки [Текст]/Г.П. Дроздовский, Н.Р. Шоль // Актуальные проблемы лесного комплекса: сб. науч. тр. по итогам МНТК. Вып. 16.-Брянск: БГИТА, 200.- С. 172-173.
5. Смирнов, Г.А. Теория движения колесных машин [Текст]: учебник / Г.А. Смирнов.- М.: Машиностроение, 1981.-170 с.
