Оценка воздействия гусеничного движителя на лесные почво-грунты Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

Оценка воздействия гусеничного движителя на лесные почво-грунты

Занин А.В. (гати andrei@mail.ru)

Петрозаводский государственный университет

Перемещение лесозаготовительной техники во время выполнения технологических операций приводит к изменению почвенного покрова на площади лесосеки. В большинстве случаев эти изменения носят отрицательный характер: уплотнение, колееобразование, сдирание верхнего плодородного слоя, изменение твердости почвы. Все это приводит к нарушению последующего лесовозобновления [1,2,3,4].

Конструкции эксплуатируемых тракторов разрабатывались несколько десятилетий назад, когда определяющим фактором являлась проходимость. На сегодняшний день одним из наиболее значимых факторов при создании лесозаготовительной техники становится ее экологическая совместимость с лесными почво-грунтами. Поэтому при проектировании машин с гусеничным движителем необходимо принимать научно-обоснованные технические решения, обеспечивающие их совместимость с лесной средой. Разработка таких решений должна базироваться на математическом моделировании, которое уже на стадии проектирования позволит рассчитать и оценить последствия применения разрабатываемой техники. При этом при разработке математической модели необходимо учитывать не только влияние технических параметров самого движителя, но физико-механические свойства почвы. Математические модели взаимодействия гусениц с почвой могут быть разработаны лишь на основе упрощенных схем движения, отражающих принцип работы гусеничных ходовых систем, и последующего их уточнения с учетом особенностей протекания реальных процессов. Это в свою очередь зависит от конструкции движителей и условий работы машин [5].

Одной из основных фаз процесса разрушения, происходящего во время движения гусеничной системы, является уплотнение грунта. Рассмотрение взаимодействия трелевочных тракторов с волоком и процессов, протекающих в граничной зоне «движитель - лесной почво-грунт», позволяет принять в качестве базовой формулу, применяемую для сельскохозяйственных машин

[5].

Плотность почвы р1 в следе движителя определяется по формуле:

Р = Ро + ах U (1)

где, а - коэффициент пропорциональности,

кг/м *Н;

и - коэффициент, характеризующий уплотняющее воздействие ходовой системы, м*Па;

а = Ро х(1 )/((о х Н ) (2)

и = юхЬхдта^ х+ И) (3)

где ро - плотность почвы в центре колеи на контрольном участке, кг/м3; /л0 - коэффициент Пуассона, Е0 - модуль общей деформации почвы, МПа;

ю - коэффициент, зависящий от размера и формы опорной поверхности;

для гусеничного движителя:

при Ь/Ь < 7 ю

Г 2/3

0.92 + 0.3 х -

V Ь,

при Ь/Ь > 7 ю = 2,15

(- - длина опорной поверхности гусеницы) Ь - ширина движителя, м;

Чти™ - максимальное давление движителя при скорости V, Н/м2; к - коэффициент интенсивности накопления необратимой деформации почвы при повторных нагружениях; ^Ы - десятичный логарифм числа проходов движителя по одному следу.

В отличие от сельскохозяйственных почв, не различающихся по своим свойствам на больших площадях, лесные почвы могут резко отличаться друг от друга даже в пределах длины одного волока. Поэтому предложенная зависимость (1) требует преобразования с учетом этих особенностей.

Экспериментально коэффициент к для лесных почв определить затруднительно, поэтому в исследовании можем принять к=1,0 [5].

Установлено, что более половины машинного времени гусеничный трелевочный трактор работает на 3 передаче. При этом средняя скорость трелевки изменяется в узком диапазоне: в Карелии и Ленинградской области 1,0.. .1,5 м/с в различное время года [5].

Из этого следует, что трелевка трактором пачки оптимального объема на конкретной лесосеке сопровождается незначительными изменениями средней скорости. Экспериментальными данными пока не подтверждено влияние скорости трелевки на максимальное давление движителя на лесную почву [5].

Поэтому в математической модели примем, что максимальное давление движителя при скорости v qmaxv, равно максимальному давлению при

скорости равной нулю qmax0 .

qmax v qmax0 (4)

Максимальное давление при скорости равной нулю определяется по формуле:

где, £ - коэффициент неравномерности распределения давления по длине опорной поверхности;

Коэффициент неравномерности распределения давления по длине опорной поверхности определяется по формуле:

(5)

qcp - среднее удельное давление, Н/м

2

И а

2 М

2 х к х Ь

Т

(6)

где, а - расстояние между катками, м;

к - коэффициент объемного смятия, Н/м ; Ь - ширина движителя, м; Т - усилие натяжной пружины, Н; Формулу (1) для определения плотности почвы в следе движителя

можно записать в развернутом виде:

.2

рс1 = р0 + р0 х (1—хюх р х Ь х (1 + Ах ^ N)

Е0 х Н

(7)

Из механики грунтов [6], известно

£ =

сох р х Ь х (1 - / )

Е0

(8)

Подставляя (8) в (7) получаем следующую зависимость:

0+р0х(1±АхМ) х,

Н

(9)

Для дальнейших расчетов, необходимо рассмотреть какие изменения происходят с почвой при увеличении внешнего давления. Для этого воспользуемся схемой (рис 1) [7].

Рис. 1 Расчетная схема к определению глубины распространения в почве напряжений, создаваемых гусеницей трактора

Выделим и рассмотрим в слое почвы призму, площадь верхнего основания которой, равна площади опорной поверхности гусеницы Fj. Площадь нижнего основания равна F2, высота призмы равна H и равняется высоте распространения деформации в почве во время движения гусеничного трактора.

В качестве допущения примем, что площади оснований Fj и F2 рассматриваемой призмы остаются неизменными до и после взаимодействия.

Рассматривая, объем твердых частиц выделенной призмы до приложения нагрузки к объему и после уплотнения под нагрузкой, получаем формулу для определения разности высот грунта до, и после уплотнения под нагрузкой:

р H х (e1 - e2)

5 = 1 + e (10)

где, ej - начальная пористость грунта; e2 - конечная пористость грунта.

Окончательная формула для определения плотности почвы в след движителя имеет вид:

pci=р0+р0 X (1+Ях 'gN) хвх q-x v (ц)

E0

При этом среднее удельное давление, которое необходимо определить при расчете максимального давления при скорости v, определяем по формуле (12), позволяющей оценивать влияние изменения размеров движителя на среднее удельное давление, создаваемое гусеничной лесозаготовительной машиной.

2 2 RR 1 1

1,5+k • (n2 -1)+(m-1) • Lon • (k •—+ k2 • —- + кз • -

1 (_zt RLb lp )

q= q0 •(-) (12)

m • n

где, qj - давление, оказываемое на грунт трактором с измененными размерами движителя, Н/м2;

ц0 - среднее удельное давление на грунт, Н/м2;

к1 - относительный вес гусеничной цепи;

п - относительное изменение ширины гусениц;

г - число зубьев в одной гусенице до увеличения длины опорной поверхности;

? - шаг звена гусеницы до увеличения длины опорной поверхности, м;

-оп - длина опорной поверхности до удлинения, м;

к2 - относительный вес подвески;

Я - количество опорных катков движителя до и после увеличения опорной длины гусениц;

-Ь - база трактора, м;

к3 - относительный вес рамы трактора;

1р - длина рамы после удлинения, м;

т - относительное изменение опорной длины гусениц;

Проверка адекватности предложенной модели взаимодействия гусеничного движителя с лесными почво-грунтами осуществлялась на основе данных.

В качестве показателей воздействия гусеничного движителя на лесные почво-грунты применяются плотность почвы в следе движителя и глубина оставляемой колеи. Это обусловлено тем, что эти показатели наиболее точно и адекватно описывают последствия рассматриваемого взаимодействия, а также могут быть достаточно просто определены с помощью представленной математической модели и экспериментально.

Объектом нашего эксперимента являлся трелевочный трактор ТДТ-55 А, попеременно оснащаемый обычной (440 мм) и уширенной гусеницами (550 мм).

Испытания машин проводились с пачкой бревен, имитирующих пачку деревьев, при этом велся контроль, за тем, чтобы бревна находились в про-

межутке между колеями, оставляемыми гусеницами. Это было обусловлено необходимостью соблюдения условий, при которых производились расчеты в математической модели.

Исследования выполнялись в хвойном лесу (сосняк лишайникового типа, состав насаждения 10С, возраст 35..40лет, бонитет IV, полнота 0.4, подрост - сосна и ель, подлесок - можжевельник) на песчаных сухих почвах. Напочвенный покров представлен белыми мхами: кладонией альпийской, вильчатой и лесной (проективное покрытие 100%); вереском (10%); единично - брусникой.

Испытания проводились на одном участке леса в одно и тоже время. Таким образом, почвенно-грунтовые, растительные и климатические условия были одинаковыми. Испытания проводились в сухой период. Влажность образцов грунта, определенная в лаборатории весовым способом, не превысила 13 %.

Для проведения испытаний был подготовлен специальный полигон, представляющий собой свежую вырубку, осуществленную вручную бензопилами без применения трелевочных механизмов. Подрост и мелкие деревья на вырубке сохранялись.

В процессе подготовки полигона к испытаниям на нем были выделены параллельные трассы. Длина каждой трассы составляла 100 метров. Каждая трасса разбивалась на три примерно равные участка. На первом участке осуществлялся трехкратный проход исследуемой машины, на втором машина должна была пройти шесть раз, на третьем - девять.

После завершения необходимого числа проходов на каждом мерном пункте относительно выставленной первоначально горизонтальной нити замерялся поперечный профиль волока, что позволяло определять размеры полученной колеи. На каждом мерном пункте поперечный профиль измерялся в трех местах. Расстояние между мерными линиями составляло 0,5 метра.

На всех исследуемых участках в районе мерных линий снимались показания пенетрометра с конусом 1 см2 и с записью на бумажную ленту. Замеры проводились на обочинах волока (контроль), а также по правой и левой колеям.

Оценка точности экспериментальных данных проводилась по методике

[8].

До проведения испытаний контрольные образцы почвы имели достаточно большой разброс по плотности в пределах 1,28 - 1,31 г/см . После дви-

3

жения машин этот показатель достигал 1,34 -1,64 г/см .

Таблица 1

Средние значения плотности почвы

Число проходов ТДТ-55 А(0,44м) ТДТ-55А(0,55м)

3 1,37 1,34

6 1,5 1,45

9 1,64 1,57

После трехкратного прохода уплотнение почвы, вызванное проходом трактора с обычной гусеницей, составило 5,15%, а после прохода трактора с уширенной гусеницей 3,69%.

Шестикратный проход машин вызвал уплотнение почвы в 15% под гусеницами стандартной машины ТДТ-55А и 11,5% после трактора с уширенной гусеницей.

Девятикратный проход машин вызвал дальнейшее повышение плотности на глубине, соответственно 26% и 20,5%.

В целом по результатам испытаний можно заключить, что с ростом числа проходов возрастает и степень уплотнения почвы. При чем при любом числе проходов степень уплотнения почвы после прохода трактора со стандартной гусеницей больше чем после прохода трактора с уширенной гусеницей, разница в значениях колеблется от 1,5 до 5,5% в зависимости от числа проходов.

В табл. 2 представлены результаты измерений плотности почвы после трех, шести и девяти проходов, а также результаты расчетов по формуле (11).

Из представленной таблицы видно, что разница между результатами, полученными экспериментальным путем и расчетными данными составляет 3,3...8,95%, что подтверждает адекватность предложенной математической модели.

Таблица 2

Сравнение данных о плотности почвы

Тип трактора Плотность почвы

Расчетные данные, г/см3 Опытные данные, г/см3 Относительное отклонение, %

ТДТ-55А (0,44 м) -3 прохода 1,31 1,37 - 4,58

ТДТ-55А (0,44 м) -6 проходов 1,55 1,5 + 3,3

ТДТ-55А (0,44 м) -9 проходов 1,75 1,64 + 6,7

ТДТ-55А (0,55 м) -3 прохода 1,22 1,34 -8,95

ТДТ-55А (0,55 м) -6 проходов 1,41 1,45 -6

ТДТ-55А (0,55 м) -9 проходов 1,65 1,57 +5,09

По результатам проведенного исследования можно сделать вывод, что разработанная математическая модель может быть применена для оценки воздействия гусеничного движителя машин на лесные почво-грунты.

Список использованных источников:

1. Анисимов Г.М.. Об управлении экологической совместимостью системы «движитель трелевочного трактора - лесная почва», Лесной журнал,

1997, №3, с.27-31.

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

3. Ермольев В.П., Виногоров Г.К. Механика воздействия машин на лесные почвы .//Лесная промышленность, 1995, №3, с. 27.

4. Герасимов Ю.Ю., Сюнев В.С. Лесосечные машины для рубок ухода: компьютерная система принятия решений, Петрозаводск: изд-во ПетрГУ,

1998, с.236.

5. Большаков Б.М. Выбор модели воздействия трелевочных систем на лесную почву. / Лесной журнал, № 4 , 1998, с. 72-75.

6. Цытович Н.А. Механика грунтов. - М.: Машстройиздат, 1997

7. Родионов А.В. Обоснование технологического процесса комплексного освоения лесных площадей на основе ресурсосбережения. Автореферат на соискание ученой степени кандидата технических наук, Петрозаводск: Изд-во ПетрГУ, 2000, с.19

8. Математическая статистика / В. М. Иванова, В. Н. Калинина, Л. А. Нешумова и др. - М.: Высш. школа, 1981. - 371 с.