Приборные комплексы для изучения рельефа и почвогрунтов лесосек
Новые технические решения, разработанные сотрудниками лесоинженерного факультета Санкт-Петербургского государственного лесотехнического университета в рамках научной школы «Инновационные разработки в области лесозаготовительной промышленности и лесного хозяйства», позволяют существенно повысить эффективность изучения лесосек при проведении подготовительных работ по заготовке древесины и обеспечивают оперативность и точность определения значений анализируемых показателей.
Предлагаемые приборные комплексы позволяют расширить возможности исследования больших площадей лесосек с учетом колеи предполагаемого для выполнения лесозаготовительных работ движителя трелевочной машины и боковых полос трелевочных волоков. Технические решения, о которых пойдет речь, защищены патентами на полезные модели Российской Федерации и дают возможность измерять неровности волока, углы склона и уклона, коэффициент сопротивления движению машин, извилистость трассы движения лесных машин в плане, определять плотность и состав слоев почвы лесосеки, а также площадь проективного покрытия корневых систем.
Разработанные конструкции предназначены для качественного проведения подготовки лесосеки к рубке, поскольку именно на этом этапе подготовительных работ принимаются организационно-технологические решения, которые в дальнейшем во многом определяют эффективность работы машин и механизмов, удобство и безопасность работы персонала и в конечном счете себестоимость заготовленной древесины и работ по лесовосстановлению.
Анализ трудозатрат на лесозаготовках показывает, что на подготовительные работы приходится 35-40% всех трудозатрат по освоению арендованного лесосечного фонда, их объем зависит от выбранного технологического процесса, используемых машин, почвенно-грунтовых и рельефных условий, захламленности лесосеки и таксационных характеристик вырубаемого древостоя.
Подготовительные работы выполняются до начала основных работ и включают лесосырьевую, технологическую и транспортную подготовку, подготовку территории лесосек, лесопогрузочных пунктов и трелевочных волоков, обслуживающих производств (обустройство мастерского участка).
Технологическая подготовка лесосеки заключается в изучении лесоэксплуатационных условий (рельефа местности, грунтов, степени захламленности лесосек), при этом проводятся: изыскания трассы лесовозного уса; выбор места для размещения погрузочных площадок и мастерского участка; разработка технологического процесса лесозаготовок с учетом имеющейся у лесопользователя техники и лесоводственных требований к рубкам в данной местности; составление технологической карты разработки лесосеки, в которой указываются породный состав и запас леса на одном гектаре по выделам, трассы трелевочных волоков, места расположения погрузочных пунктов и мастерского участка, способ очистки лесосеки, а также меры содействия лесовозобновлению, количественные показатели работ.
Следовательно, задачей технологической подготовки является обоснованный выбор рациональной схемы разработки лесосеки и ее транспортного освоения. Составляемая технологическая карта должна максимально учитывать особенности конкретной лесосеки (площадь и форму, почвенно-грунтовые условия и рельеф, таксационные характеристики, вид рубки, лесоводственные требования).
Получение достоверных данных о микро- и макрорельефе лесосеки, несущей способности почвогрунта на отдельных участках с минимальными трудозатратами является важной составляющей успеха проведения технологической подготовки и принятия оптимальных решений по расположению трасс трелевки.
Разработкой технических решений для изучения рельефа поверхности движения занимались в свое время исследователи работы автомобильного транспорта. Конструкции известных приборов для измерения рельефа местности (включая автомобильные дороги) - разного вида пенетрометров и устройств для взятия проб почвы - часто весьма габаритны, с их помощью можно получить результаты измерений одного-двух параметров.
В 2005 году в СПбГЛТУ был разработан мобильный измерительный комплекс для моделирования условий работы лесных машин при исследовании лесосеки по номенклатуре выбранных показателей в процессе подготовки к проведению лесосечных работ. В состав комплекса входит установленный на тракторе съемный комплект измерительных приборов, включающий в себя измеритель крутящего момента в трансмиссии, бесконтактный датчик измерения плотности почвы, устройство для измерения неровностей опорной поверхности, датчики измерения угла склона и уклона трассы движения, контактирующие со стабилизированной платформой (патент на полезную модель № 48052, опубл. 10.09.2005 г.). Но, хотя с помощью этого технического решения можно измерять неровности волока, углы склона и уклона, коэффициент сопротивления движению машин, оно не позволяет учитывать извилистость трассы волока, которая весьма существенно влияет на маневрирование лесных машин.
При трелевке древесины трелевочными тракторами до 70% машинного времени система управления находится в режиме поворота, а маневрирование трелевочной системы приводит к дополнительному уплотнению боковых полос трелевочных волоков. Cледовательно, для уменьшения уплотнения почвогрунта в боковых полосах волока важно выбрать трассу с минимальной извилистостью в плане. Кроме того, чем меньше извилистость трассы, тем выше скорость движения лесной машины и ниже энергозатраты.
Учитывая, что площадь современной лесосеки может достигать 50 га, а среднее расстояние трелевки - около 300 м, на такой лесосеке можно наметить несколько десятков и даже сотен трасс движения. Отсутствие научного обоснования и расчетов, сделанных на основе приборных измерений, при выборе трасс движения лесных машин отрицательно сказывается на эксплуатационной и экологической эффективности их работы.
Для повышения эффективности исследования лесосеки при ее подготовке к проведению лесосечных работ путем расширения номенклатуры исследуемых показателей за счет определения извилистости трассы волока в плане было разработано техническое решение (патент на полезную модель № 116624, опубл. 27.05.2012 г.). Этот приборный комплекс обеспечивает возможность выбора оптимальных трасс движения машин, повышение производительности лесных машин за счет возможности увеличения их скорости, снижения энергоемкости и вредного воздействия на экологию за счет сохранения почв при условии простоты мобильного измерительного комплекса и обеспечении невысокой стоимости работ при использовании измерительного комплекса для лесозаготовительного предприятия.
В состав разработанного мобильного измерительного комплекса включен датчик определения извилистости трассы волока в плане, в качестве которого может быть использован, например, унифицированный датчик угловых скоростей ДУСУ.
Рис. 1. Колесный лесопромышленный трактор, оснащенный
измерительным оборудованием: 1 – трактор; 2 – датчик крутящего момента
(динамометрическая карданная передача); 3 – датчик измерения плотности
почвы; 4 – локационное устройство для измерения неровностей опорной
поверхности; 5 – датчик измерения угла склона волока; 6 – датчик
измерения угла уклона волока; 7 – стабилизированная платформа;
8 – датчик определения извилистости трассы волока в плане
(унифицированный датчик угловых скоростей ДУСУ, например ДУСУ-А-18)
На рис. 1 представлена схема лесной машины с установленным на ней мобильным измерительным комплексом.
При выборе аппаратуры для проведения экспериментальных исследований мобильного измерительного комплекса принимались во внимание следующие требования: конструкция и схема аппаратуры должны быть простыми, прибор должен быть малогабаритным, легко и быстро монтироваться на базовой машине, получать питание от бортовой сети и стабильно работать при длительной эксплуатации; измерительное оборудование и экспериментатор не должны влиять на работу трактора и технологический процесс.
Классический способ измерения крутящего момента - с помощью тензорезисторов, измеряющих возникающие в вале касательные напряжения, значения которых пропорциональны крутящему моменту. Но у такого способа имеется ряд существенных недостатков, основные из которых заключаются в сложности конструкции преобразователей момента, токосъемных устройств и других приборов. При измерении крутящего момента величина тока в измерительной диагонали проволочного преобразователя сопротивления не превышает нескольких десятков микроампер, а величина изменения напряжения исследуемой детали очень мала. Это обстоятельство предъявляет очень высокие требования к токосъемному устройству: изменение величины переходного сопротивления токосъемника должно быть меньше величины изменения сопротивления активного проволочного преобразователя в несколько десятков раз, что трудно обеспечить при полевых испытаниях лесных машин.
Рис. 2. Принципиальная электрическая схема регистрации крутящего
момента
Рис. 3. Схема установки ЛВТ в карданной передаче:
1 – шарнир карданной передачи; 2 – корпус ЛВТ; 3 – поводок; 4 – труба;
5 – торсионный вал; 6 – токосъемник
Рис. 4. Динамометрический карданный вал
Рис. 5. Токосъемник с корпусом
Поэтому для измерения крутящего момента следует использовать линейный вращающийся трансформатор (ЛВТ), называемый также поворотным трансформатором (патент на полезную модель № 46850, опубл. 27.07.2005 г.).
На рис. 2 показана принципиальная электрическая схема регистрации крутящего момента. С преобразователя напряжения (1) на первичную обмотку ЛВТ (2) подается стабильное переменное напряжение. Со вторичной обмотки (3) напряжение, пропорциональное крутящему моменту, через выпрямитель (4) подается на вибратор осциллографа (5). Одновременно с вибратором включен прибор визуального наблюдения за процессом (вольтметр, шкала которого проградуирована в ньютонометрах).
Мощный выходной сигнал ЛВТ позволяет в случае необходимости одновременно регистрировать процесс на счетчиках и осциллографе, а также вести визуальную оценку по осциллографу. Непрерывная запись крутящего момента в трансмиссии позволяет анализировать характер его изменения.
Схема установки ЛВТ в карданной передаче показана на рис. 3.
Питание ЛВТ и снятие сигнала с него осуществляются через кольцевой токосъемник простейшей конструкции. Из-за большой мощности выходного сигнала переходное сопротивление токосъемника почти не сказывается на точности измерений. На рисунках 4 и 5 показаны динамометрический карданный вал, установленный в трансмиссию трактора, и токосъемник (соответственно).
Модернизированный мобильный измерительный комплекс позволяет получать наиболее полную необходимую информацию о трассах движения лесных машин, которую в совокупности можно считать навигационной картой лесосеки, делянки, квартала и использовать в навигации других мобильных объектов. После выполнения измерительных работ и демонтажа комплекта измерительных приборов можно использовать лесопромышленный трактор на основных лесозаготовительных операциях.
Влияние лесных машин на лесную среду принято оценивать по двум основным показателям: воздействие на почву и подрост. Наиболее важным фактором для естественного лесовозобновления является воздействие на почву, которое может быть и положительным, и отрицательным.
Рис. 6. Устройство для вырезания образца почвы:
1 – ручка выталкивателя; 2 – муфта; 3 – поводок;
4 – выключатель концевой;
5 – контргайка (ГОСТ 8961–75); 6 – упор нижний;
7 – втулка направляющая; 8 – нож цилиндрический;
9 – выталкиватель; 10 – корпус; 11 – шарик;
12 – пружина дисковая; 13 – муфта; 14 – труба (3/4”);
15 – труба (8–10 мм); 16 – упор верхний;
17 – втулка направляющая; 18 – шарик; 19 – пружина
Существенным изменением лесной почвы под действием движителей лесозаготовительных машин и персонала является ее уплотнение, в результате чего уменьшается порозность, аэрация, водопроницаемость, что приводит к заболачиванию почвы как во влажных типах леса (долгомошниках, сфагновых и пр.), так и в типах леса с оптимальным увлажнением (кисличниках, черничниках), а также к угнетению и полному прекращению роста деревьев.
Для оперативной оценки влияния лесозаготовительной техники на плотность почвы в СПбГЛТУ был создан ручной прибор, позволяющий без больших затрат и с приемлемой точностью оценивать уплотнение почвы (патент на полезную модель № 32277, опубл. 10.09.2003 г.).
Прибор состоит из цилиндрического ножа с механизмом вращения, выталкивателя керна почвы и устройства сигнализации предельного погружения ножа в почву (рис. 6). На корпусе прибора, выполненного из трубы 3/4", с помощью муфт закреплены верхний и нижний упоры.
Внутри корпуса по втулкам перемещается шток с ручкой выталкивателя керна почвы. Предельное перемещение выталкивателя при вырезании керна отслеживается сигнальной системой, состоящей из концевого выключателя, связанного поводком со штоком, и источника световой сигнализации. Система сигнализации позволяет предотвратить уплотнение почвы: при достижении выталкивателем крайней верхней точки система подает сигнал и исследователь прекращает наполнение цилиндрического ножа почвогрунтом при вырезании керна. В корпусе механизма вращения имеются четыре наклонных паза, по которым перемещаются шарики под действием цилиндрических пружин. Находящаяся внутри корпуса этого механизма цилиндрическая пружина при отсутствии усилий на упорах внутренней окружностью опирается на корпус механизма вращения, а наружная окружность находится в контакте с нижней муфтой; шарики под действием цилиндрических пружин находятся вверху наклонной плоскости пазов.
Принцип работы устройства таков. Для снижения сопротивления резанию почвы, пронизанной корнями растений, и сохранения структуры образца (керна) цилиндрический нож под действием усилий, прилагаемых исследователем к ручным и ножным упорам, совершает поступательное движение в почву. Под действием усилий пластинчатая пружина сгибается и опирается на шарики, которые, преодолевая усилия цилиндрических пружин, переходят в нижнее положение наклонной плоскости; при этом цилиндрический нож совершает поворот. В момент включения сигнализации прекращается воздействие на упоры, устройство вместе с керном извлекается из почвы и с помощью выталкивателя керн удаляется из цилиндрического ножа.
Плотность отобранных кернов почвы определяется по формуле:
где ρ - плотность керна почвы; m - масса керна почвы; V - объем керна почвы.
Вместе с тем практика эксплуатации этого прибора показала наличие в ней слабых мест, прежде всего недостаточную эффективность механизма поворота цилиндрического ножа. Почвы лесосек пронизаны корневой системой древостоя, следовательно, устройство для вырезания керна почвы должно обеспечивать вырезание одного образца в течение минимального времени. Для перерезания корневой системы, пронизывающей почву, нож устройства должен поворачиваться вокруг своей оси, а его торец должен быть зубчатым.
Рис. 7. «Ударник ДорНИИ»
Рис. 8. Плотномер статического типа
Рис. 9. Предлагаемая конструкция прибора для
оперативного определения проективного покрытия
корневой системы
Был разработан еще один вариант модернизации устройства для вырезания образцов почвы. Он отличается тем, что у ножа имеются съемные вставки из прозрачного кварцевого стекла с нанесенным на него нониусом (прочность вставок определена расчетом). Такое новшество позволило сделать прибор универсальным - позволяющим оценивать не только плотность почвогрунта, но и состав его горизонтов. Шаг деления нониуса, нанесенного на вставки кварцевого стекла, - 1 см, следовательно, погрешность измерения почвенных слоев составляет ±0,5 см.
Армирующее действие корневой системы деревьев и кустарников на почвогрунт лесосеки принято учитывать через модуль Юнга, коэффициент Пуассона, которые неразрывно связаны с влажностью и строением почвогрунтов, и другие коэффициенты, значения которых предлагается определять эмпирическим путем. Для определения содержания корней в почвогрунте используют, например, вышеописанные приборы для взятия проб почвы. Полученные керны почвогрунта высушивают, а затем вручную выбирают части корней, взвешивают и определяют соотношение почвогрунта и корней. Чем больше корней, тем прочнее почвогрунт при прочих равных условиях. Такая методика трудоемка и неоперативна.
В практике дорожного строительства используют плотномеры-пенетрометры. Одним из первых подобных устройств, использовавшихся зав. кафедрой сельскохозяйственных машин УрГАУ проф. Александром Зелениным еще в середине ХХ века для выявления корреляционной связи между сопротивлением грунта резанию и его плотностью, был плотномер ДорНИИ (рис. 7), более известный под названием «Ударник ДорНИИ».
Его достоинства - простота конструкции, удобство применения и быстрота получения результата. Да и сам критерий оценки плотности прост и понятен: количество ударов груза 2,5 кгс, падающего с высоты 40 см‚ необходимое для погружения в грунт цилиндрического стержня с площадью основания плоского наконечника 1 см2 на глубину 10 см (для слабых и рыхлых грунтов был предусмотрен наконечник с площадью основания 2 см2). По числу выполненных ударов и заранее построенному тарировочному графику с учетом типа грунта и его влажности можно было быстро определить качество уплотнения земляного полотна. Причем это можно было сделать в процессе выполнения самой операции‚ при корректировании технологических режимов работы грунтоуплотняющих машин.
Современные модели плотномеров-пенетрометров, по сути, мало отличаются от «Ударника ДорНИИ» и друг от друга. Отличие состоит в основном в форме и размерах наконечника (чаще всего это конус с углом при вершине 30‚ 45 или 60°)‚ способе погружения наконечника (статическом - вдавливании, или динамическом - серии ударов) и величине измерения‚ служащей критерием оценки качества уплотнения.
За критерий принимают удельное сопротивление погружению конуса (cone index)‚ определяемое как отношение общего статического или динамического усилия вдавливания к площади основания конуса‚ либо глубину погружения наконечника‚ либо число ударов для погружения конуса на заданную глубину. При этом все остальные параметры прибора‚ кроме одной из названных выше и фиксируемых величин‚ остаются постоянными.
В результате опыта, накопленного в ходе применения подобных приборов, был выработан ряд особых условий и требований‚ при соблюдении которых только и может быть получен устойчивый и приемлемый по точности результат измерений. В частности‚ плотномеры-пенетрометры статического типа (рис. 8) порой требуют приложения большого усилия для вдавливания зонда-наконечника в почвогрунт‚ а также для равномерного и плавного погружения прибора на глубину до 10 см в течение 15-20 с.
Очевидно, что в разных местах лесосеки проективное покрытие почвогрунта корневой системой будет различно, и определить соотношение площади корней в поверхностном слое почвогрунта и общей деформируемой площади при помощи прибора с точечным воздействием почти невозможно, поскольку потребуется очень большое число измерений.
Для оперативного определения армирующей проективной площади корней деревьев и кустарников разработана следующая конструкция ручного прибора-измерителя (патент на полезную модель № 152844, опубл. 20.06.2015 г.) (рис. 9).
На рукоятке, в удобном для восприятия исследователя месте, крепится индикатор. Для регистрации результатов проверки наличия и числа корней деревьев и кустарников в почвогрунте на предполагаемых трассах трелевочных волоков целесообразно использовать электрический способ. Рабочий орган прибора представляет собой прикрепленную в центре перпендикулярно штанге площадку длиной 1 м и шириной 0,5 м. На нижней части площадки в гнездах надо установить подпружиненные иглы. Усилие пружин следует подбирать в зависимости от категории прочности почвогрунта. Расстояние между иглами 10 см. Под пятками игл установлены разомкнутые контакты, соединенные в единую электрическую цепь, питающуюся от аккумулятора.
Рабочий орган прибора соединен с измерителем (индикатором) проводом, проходящим в полой штанге.
При вдавливании площадки с иглами в почвогрунт часть игл не встречают на своем пути корней и заглубляются без нажатия на контакт. Иглы, которые встретят на своем пути корень или иное твердое препятствие, под действием усилия, прикладываемого испытателем к рукояти, преодолевают сопротивление пружин, вдавливаются в гнездо и замыкают контакты.
Шкала стрелочного индикатора должна быть отградуирована в процентах. Если ни одна игла не встретит твердого препятствия (вариант песчаного участка), то стрелка останется на отметке «0». Если половина игл встретят препятствия, преодолеют сопротивление пружин и замкнут контакты, то стрелка покажет значение 50, и т. д.
Несложная механическая конструкция прибора позволяет говорить о его невысокой стоимости и надежности в эксплуатации, но принципиально важной является разработка его электрической измерительной схемы.
Рис. 10. Схема прибора на основе вольтметра
Рис. 11. Схема прибора на основе амперметра
В современной технике широко применяются измерения неэлектрических величин (температуры, давления, усилий и пр.) электрическими методами. В большинстве случаев подобные измерения сводятся к тому, что неэлектрическая величина преобразуется в зависимую от нее электрическую величину (например, сопротивление, ток, напряжение, индуктивность, емкость и пр.), при измерении которой получают возможность определить искомую неэлектрическую величину.
Устройство, осуществляющее преобразование неэлектрической величины в электрическую, называется датчиком. Датчики подразделяются на две основные группы: параметрические и генераторные. В параметрических датчиках неэлектрическая величина вызывает изменение какого-либо электрического или магнитного параметра: сопротивления, индуктивности, емкости, магнитной проницаемости и пр. В зависимости от принципа действия эти датчики подразделяются на датчики сопротивления, индуктивные, емкостные и др. В генераторных датчиках неэлектрическая величина вызывает появление электродвижущей силы (ЭДС). К подобным датчикам относятся индукционные, термоэлектрические, пьезоэлектрические и пр.
Для обеспечения работы параметрического датчика обязательно необходим вспомогательный источник питания. Для работы прибора с генераторным преобразователем такой источник питания не обязателен, потому что прибор сам вырабатывает ЭДС, и если этой ЭДС достаточно для обеспечения реакции стрелки шкалы, то необходимости в источнике питания нет.
В рассматриваемом приборе датчик относится к параметрическим, следовательно, его электрическая схема должна предусматривать наличие аккумулятора в качестве источника питания.
Преобразователи неэлектрических величин в электрические многочисленны и разнообразны, что объясняется, с одной стороны, многочисленностью самих неэлектрических величин, а с другой - достоинствами электрических методов измерений и целесообразностью преобразования неэлектрических величин в электрические.
Прибор может быть реализован в нескольких вариантах. Схемы, представленные на рис. 10 и 11, предполагают измерение аналогового сигнала обычным стрелочным прибором: вольтметром или амперметром.
В этих схемах сопротивление R выполняет функции токового ограничителя и рассчитывается в первую очередь из этих соображений. Однако от его величины значительно зависит нелинейность получаемой зависимости показаний прибора от числа замкнутых контактов.
В случае использования вольтметра напряжение (при условии пренебрежения влиянием внутреннего сопротивления прибора) равно:
Здесь n - количество незамкнутых контактов.
Очевидно, что обеспечить простоту градуировки шкалы прибора и максимизировать линейность зависимости его показаний от числа разомкнутых контактов можно при условии R >> Nr, где N - общее число контактов. Однако выполнение этого условия предполагает, в свою очередь, высокую чувствительность прибора. Ток, измеряемый амперметром, вычисляется по формуле:
В этом случае наблюдается обратная нелинейная зависимость показаний прибора от числа разомкнутых контактов.
Рис. 12. Функциональная схема цифрового устройства подсчета количества
замкнутых (разомкнутых) контактов
Представляется эффективной и экономически целесообразной цифровая реализация прибора, функциональная схема которой приведена на рис. 12.
Действие подобной схемы основано на универсальном регистре, который может функционировать в ряде режимов, включая режим параллельной записи и последовательного считывания. Запись в регистр инициируется кнопкой SA «Сигнал записи», при прохождении через формирователь сигнала, используемый для ликвидации явления «дребезг контактов», сигнал стробирует запись показаний контактов в регистр и устанавливает через элемент задержки триггер T в состояние «Запись произведена». В результате значительно снижается общий эффект действия помех и повышается помехозащищенность системы. Сигнал с триггера переводит регистр в режим последовательного считывания и открывает выход генератора G при помощи логического элемента И. Сигнал генератора стробирует считывание разрядов из регистра. Разряды считанного значения последовательно выдвигаются из регистра RG, и выдвинутые «единицы» подсчитываются счетчиком CT2. Выход регистра подается на вход счетчика через логический элемент И, открываемый стробирующими импульсами генератора, что устраняет риск «склеивания» последовательностей разрядов, считываемых из регистра. Показания счетчика CT2 подаются на табло HL, в простейшем случае сформированное из семисегментных светодиодных индикаторов, через дешифратор DC, позволяющий транслировать показания счетчика в формат сигналов индикаторов. Счетчик CT2 наиболее эффективно строится на основе каскадированных двоично-десятичных счетчиков. Счетчик CT1 позволяет ограничить число импульсов генератора разрядностью регистра. Сигнал переполнения этого счетчика сбрасывает состояние триггера и перекрывает тем самым выход генератора. Регистр переходит в режим параллельной записи, которая и будет осуществлена по следующему сигналу SA. В зависимости от особенностей реализации и измеряемой величины схема может быть дополнена инвертирующими элементами, что позволит выполнять подсчет нулей, а не единиц.
Игорь ГРИГОРЬЕВ, д-р техн. наук, проф., зав. кафедрой ТЛЗП СПбГЛТУ
Максим РУДОВ, аспирант кафедры ТЛЗП СПбГЛТУ
Ольга ГРИГОРЬЕВА, канд. с.-х. наук, доц. кафедры лесоводства СПбГЛТУ
Антонина НИКИФОРОВА, канд. техн. наук, доц. кафедры ТЛЗП СПбГЛТУ
