CC BY
53
ЛЕСОИНЖЕНЕРНОЕ ДЕЛО
РАСЧЕТ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ПРОЦЕССА УПЛОТНЕНИЯ ПОЧВОГРУНТА
ПРИ ТРЕЛЕВКЕ ПАЧКИ ХЛЫСТОВ
И.В. ГРИГОРЬЕВ, проф. каф. технологии лесозаготовительных пр-в СПбГЛТУ им. С.М. Кирова, д-р техн. наук,
В.А. МАКУЕВ, проф. каф. колесных и гусеничных машин МГУЛ, канд. техн. наук,
В.Я. ШАПИРО, проф. каф. высшей математики СПбГЛТУ им. С.М. Кирова, д-р техн. наук, М.Е. РУДОВ, асп. каф. технологии лесозаготовительных пр-в СПбГЛТУ им. С.М. Кирова, А.И. НИКИФОРОВА, доц. каф. технологии лесозаготовительных производств СПбГЛТУ им. С.М. Кирова, канд. техн. наук
[email protected], [email protected], [email protected]
Трелевка является самой энергоемкой и экологически опасной для лесной среды операцией лесосечных работ. Прогнозированию степени деформации лесных почвогрунтов под воздействием трелевочных систем, уплотнения и колееобразования, посвящены научные труды большого количества видных отечественных ученых, таких как В.М. Котиков, Г.М. Анисимов, В.С. Сюнев и др. [1-3].
Отдельной задачей при решении данной проблемы является определение степени воздействия трелевочной системы на боковые полосы трелевочных волоков, которое рассмотрено в работах [4, 5].
Еще одной задачей является определение степени воздействия на почвогрунты лесосеки волочащейся части трелюемой пачки лесоматериалов, при трелевке в полупогруженном или в полуподвешенном положении. Решению этой задачи посвящены работы [6, 7].
При исследовании параметров процесса уплотнения почвогрунта в границах волока и в боковых полосах за его пределами, с учетом поворотных движений транспортной системы (ТС), разработана пространственная математическая модель [8]. Отличительной особенностью модели является возможность оценки особенностей деформации и уплотнения почвогрунта при воздействии на него отдельных элементов ТС, в частности, пачки хлыстов, крон пачки деревьев, комлей и вершин с целью охраны подроста и его корневой системы при многократном проходе ТС по заранее намеченным трассам волоков.
В работе, базируясь на основных методических положениях [8], мы представили результаты расчетов параметров уплотнения
различных по свойствам почвогрунтов с учетом возможных вариаций в пределах заданных границ волоков.
Рассмотрим схему воздействия комля хлыста на почвогрунт (рис. 1).
Будем считать, что имеет место давление на почвогрунт сосредоточенной силы Q=P+G, где Q - сила тяжести хлыста, P = 0,3 Q
- сила тяжести хлыста, действующая на трактор, G=0,7Q - сила тяжести хлыста, действующая на почву при трелевке его за вершину.
В результате взаимодействия часть хлыста может погружаться в почвогрунт на определенную величину первичной зоны осадки hQ.
На рис. 1 а представлена схема погружения комлевой части хлыста 1, где обозначено: М- центр тяжести хлыста, h - расстояние от точки 2 опоры хлыста на конике до опорной поверхности 3, L - длина хлыста, l
- длина хлыста в зоне касания и погружения на глубину hQ.
Величина ho зависит [8]: от параметров пачки - диаметра хлыста d , его длины L, силы G, высоты hK и параметров A и n нагружения почвогрунта в степенных зависимостях q=Ahn давления штампа q от глубины его погружения h в пределах зоны распространения деформаций Н (удаленности от твердого слоя).
На рис. 1 б представлена схема расчета напряжений, возникающих в почвогрунте под действием силы G в пределах зоны деформаций Н, в процессе контакта и погружения комлевой части хлыста с учетом его возможного поворота на определенный угол 9.
Действующая на грунт часть хлыста объемом в коре Vx определяется в соответс-
112
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 2/2013
ЛЕСОИНЖЕНЕРНОЕ ДЕЛО
твии со значениями L и d по сортиментным таблицам древостоев и в расчетах представлена как эквивалентная по объему и весу сфера радиусом
с центром в точке М.
Такое представление действующей части хлыста на почвогрунт позволяет ис-
пользовать математическую модель деформирования среды на основе принципов механики контактного разрушения при воздействии сферического индентора радиусом R на упругое полупространство [8] с учетом особенностей трелевки различных пачек хлыстов в количестве N штук.
В рамках этой модели основными характеристиками процесса погружения инден-тора в среду являются величины контактного
ЛЕСНОИ ВЕСТНИК 2/2013
113
ЛЕСОИНЖЕНЕРНОЕ ДЕЛО
сближения ho и радиуса контактной площадки a=yjh0R, на которой действует усредненное по площади начальное равномерное давление _G _ G ^° я a2 nh0R
Оценим начальные параметры контакта h а и qo при следующих исходных данных нагружения почвогрунта в процессе трелевки пачки хлыстов в количестве У=10 штук L=30,5 м; d=0,24 м; V=6,5 м3;
G=22,75 кН; h=1,8 м; /=1,525 м. (1)
Расчеты выполним для трех разновидностей почвогрунтов волока.
В зависимости от соотношения величин влажности почвогрунта W и его предела текучести WT [9], т.е. такой влажности, при которой почвогрунт переходит в текучее состояние, выделим три категории: I - почвогрунты слабые (W>WT), II - средние (W=WT) и III - прочные (W<WT ).
Для всех трех категорий почвогрунтов с учетом результатов исследований [9] определены их начальная плотность естественного сложения р модуль Юнга Е, величина внутреннего сцепления С, угол внутреннего трения ф, несущая способность qкоэффициент Пуассона v, параметры нагружения А, n и Н. В табл. 1 приведены результаты расчетов величин h , а и q .
Основываясь на полученных начальных параметрах контакта, в соответствии с
Таблица 1
Оценка начальных параметров контактного разрушения почвогрунтов различной категории
Параметры Категории почвогрунта
I II III
Е, МПа 0,4 1 3
V 0,35 0,25 0,15
С, кПа 5 12 24
Ф,град 11 15 16
Ро, кг/м3 750 850 950
qs, кПа 20 30 40
А, м.е. 0,0215 0,0564 0,1671
n 1 1,0206 1,0888
Н, м 0,8 0,4 0,3
К, м 0,173 0,117 0,074
а, м 0,443 0,363 0,289
qo, кПа 52,67 78,34 123,53
методическими положениями [8] оценивали величину относительного уплотнения почвогрунта в границах волока р = р/р где р -достигнутая плотность почвогрунта и размер rs максимальной зоны уплотнения в радиальном направлении от колеи, т.е. размер (ширина) охранной полосы корневой системы подроста или оставляемых на корню деревьев
Р =р/ро=е+1=^+1, (2)
Г1
где глубина зоны осадки почвогрунта h определяется как
h=hn
( чЛ'
а коэффициенты X и п равны X = 0,76050 + 23,913; п = -(0,01790 + 0,241). (3) Величина r установлена в виде
rs=a
1
гУ <Is
Яо )
(4)
где а - соответствует значению радиуса контактной площадки при изменении величины h от начального ho до предельного значения hs.
Таким образом, анализ соотношений (2-4) показывает, что показатели р и r при постоянстве технологических параметров трелевки определяются начальным параметрами контактного разрушения, величиной несущей способности почвогрунта qs и углом 0 поворота ТС.
Определим значения показателей р и r Так, для условий трелевки (1) при прямолинейном движении без существенных поворотов ТС (0 = 0 град.) для почвогрунтов I категории показатели р и r составили соответственно р=1,67 и rs =1,69 м, для почвогрунтов II категории и - р=1,4 и rs =0,93 м и почвогрунтов III категории - р=1,28 и r =0,65 м.
Таким образом, при изменении величины р в диапазоне от 1,28 (почвогрунты крепкие) до 1,67 (почвогрунты слабые), т.е. на 30,5 %, соответствующие значения rs отличаются более чем в 2,5 раза. Этот вывод свидетельствует о необходимости детального учета характеристик почвогрунтов при проектировании трасс трелевки, если одной из целей является определение размеров защитных зон подроста.
114
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 2/2013
ЛЕСОИНЖЕНЕРНОЕ ДЕЛО
Реализация математической модели для всех трех категорий почвогрунтов позволила выявить зависимости конечных показателей р и r от исходных параметров трелевки, в частности, количества хлыстов Nx заданного диаметра и длины, высоты размещения пачки на конике h угла 9 поворота ТС и параметра цикличности N - числа двойных проходов ТС по одному и тому же волоку.
В табл. 2 приведены результаты расчетов показателей р (в числителе) и rs (в знаменателе) при изменении одного параметра - N от 1 до 10 при постоянных значениях остальных параметров: £=30,5м; d=0,24 м; hK=1,8 м; 9 =0 град, N=1.
На рис. 2 приведены зависимости r , м от N., штук для почвогрунтов слабых, средних и крепких. Установленный логарифмический
Т а б л и ц а 2
Расчетные показатели уплотнения различных почвогрунтов при изменении количества хлыстов в пачке
Параметр Nx Категория почвогрунта
I II III
1 1,26/0,95 1,16/0,53 1,11/0,34
3 1,41/1,18 1,25/0,66 1,18/0,45
5 1,51/1,37 1,31/0,75 1,21/0,52
1,58/1,50 1,35/0,83 1,24/0,58
10 1,67/1,69 1,40/0,93 1,28/0,65
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 2/2013
115
ЛЕСОИНЖЕНЕРНОЕ ДЕЛО
Рис. 4. Влияние угла поворота ТС на изменение показателей: а) р; б) r: 1 - слабые почвогрунты; 2 - средние почвогрунты; 3 - прочные почвогрунты
116
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 2/2013
ЛЕСОИНЖЕНЕРНОЕ ДЕЛО
ВЫООрОК Р , rs
Рис. 7. Схема расчета
характер зависимостей rs (N) показывает, что наибольшее влияние параметр N оказывает в диапазоне значений до 4-6 штук хлыстов в пачке.
На рис. 3 отражено влияние параметра h м, на величину р на примере почвогрунтов II категории при постоянных значениях 9=0 град., А=Шшт, N=1.
На рис. 4 для трех категорий почвогрунтов приведены результаты исследований влияния угла 9 поворота ТС, град. на рис. 4 а - величину уплотнения р и рис. 4 б - величину г, м. Параметры hK=1,8 м, N=10, N=1.
Как следует из анализа данных рис. 4, влияние углового параметра весьма существенное для всех категорий почвогрунтов. При этом кривые р(9) и r (9) по достижении определенных значений угла 9 выходят на асимптотический уровень.
Так, для слабых почвогрунтов (рис. 4 а) маневры ТС при 9>10 град. практически не влияют на величину уплотнения р, тогда как для почвогрунтов II и III категорий такие угловые значения составляют соответственно 20 и 35 град.
Аналогичный вывод можно сделать (рис. 4 б) и при анализе поведения кривых r (9).
Таким образом, несмотря на существенно большие по величине значения р и rs для слабых почвогрунтов по сравнению с более крепкими, влияние углового параметра в слабых почвогрунтах значительно меньше. Особый интерес представляет изучение влияние цикличности процесса уплотнения грунтов различной категории с учетом возможных отклонений ТС от заданного направления движения.
На рис. 5 приведены результаты расчетов зависимостей р от параметра N для II
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 2/2013
117
ЛЕСОИНЖЕНЕРНОЕ ДЕЛО
3 - прочные почвогрунты
категории почвогрунтов и различных углах 9. Аналогичные результаты для rs (м) представлены на рис. 6.
Как видно из данных рис. 5 и 6, параметр цикличности N является значимым при определении принятых показателей уплотнения почвогрунтов.
С этой целью (рис. 7) осуществим статистический подход к определению показателей р и rs при возможных вариациях параметров 9 и qs.
Принятая схема предусматривает выработку 100 случайных чисел распределенных по нормальному закону с нулевым математическим ожиданием и единичной дисперсией.
Далее при заданных технологических параметрах трелевки задаются различные математические ожидания (М) параметров 9
и qs - М(9) в диапазоне от 0 до 60 град. и M(qs) - от 20 до 40 кПа и их коэффициенты вариации (Kv) - соответственно Kv(9) и Kv(qs) в диапазоне от 0 до 0,5 (50 %-ая вариация).
Статистическая обработка выборок полученных значений р и rs позволяет установить коэффициенты вариации K (р) и K (г ).
На рис. 8 а отложены значения K=Kv(9)=KV(q) or Kv(pX на рис. 8 б - or Kv(r). Прямые 1, 2 и 3 соответствуют I, II и III категориям почвогрунтов с соответствующими значениями M(qs)=20, 30 и 40 МПа. Данные рис. 8 соответствуют величине М(9)=10 град.
Полученные данные позволяют, задавшись возможными отклонениями значений 9 и q от своих математических ожиданий, установить для каждой категории почвогрунтов допустимые пределы изменения показателей р и r
118
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 2/2013
