Партнеры журнала:

Лесозаготовка

Особенности эксплуатации колесных лесных машин на переувлажненных почвогрунтах

В большинстве субъектов СЗФО РФ преобладают почвогрунты третьей и четвертой категории, заготовка древесины на которых в теплый период крайне затруднена или невозможна. Вместе с тем достаточно часто те или иные обстоятельства вынуждают лесозаготовительные предприятия идти на разработку лесосек на таких почвогрунтах в теплый период года.

Практика показывает, что зачастую и зима не является гарантией успеха разработки подобных лесосек. Погодные условия ряда зим последнего времени наглядно показали, что у разговоров о грядущем глобальном потеплении есть определенные основания. Кроме того, даже при снежной и морозной зиме бывает так, что сначала выпадает снег и образуется высокий снеговой покров и только затем наступают морозы. В результате почвогрунты не промерзают и, как только трактор снимет снежный покров, приходится работать на непромерзшем переувлажненном почвогрунте.

По данным Федерального агентства лесного хозяйства, на территории СЗФО запас спелых и перестойных лесонасаждений, подходящих для эксплуатации, составляет 3936,49 млн м3. Значительная часть этого запаса находится на лесных участках, почвенно-грунтовые условия которых неудобны для проведения лесосечных работ.

Традиционная система машин лесозаготовительных предприятий, в основе которой тяжелые лесопромышленные тракторы и машины на их базе, не может обеспечить эффективное освоение труднодоступных лесосек, что наряду со слаборазвитой дорожной сетью обуславливает низкую степень использования расчетной лесосеки по СЗФО, которая составляет в среднем 40,56%. Наиболее низкие показатели приходятся на области, на территории которых множество заболоченных и переувлажненных участков: в Республике Коми подобные участки составляют 27,2% общей площади региона, в Мурманской области – 12,5%, в Псковской области – 31,7%. Известно, что недоиспользование расчетной лесосеки приводит к накоплению перестойных древостоев, в которых наиболее высок риск возникновения лесных пожаров, а также очагов поражения вредителями и болезнями.

Вместе с тем не каждое лесозаготовительное предприятие может приобрести машины для разработки заболоченных и переувлажненных лесосек, базирующиеся, например, на мобильной канатной трелевочной установке (МКТУ). Поэтому возникает необходимость модификации машин и технологического процесса лесосечных работ для наиболее эффективного использования в описанных выше условиях. Можно рассматривать следующие методы этой модификации: совершенствование путей первичного транспорта леса (трелевочных волоков) и повышение эффективности работы лесных машин на лесосеках с разными типами почвогрунтов.

В настоящее время реализация математических моделей с использованием реологических основ механики почвогрунта весьма сложна, связана с его показателями, определяемыми в лабораторных условиях, поэтому необходимо разрабатывать упрощенные математические модели воздействия движителя на почвогрунты.

Колесные тракторы являются наиболее перспективной базой для лесных машин, поскольку у них большая, по сравнению с гусеничными, производительность за счет более высокой транспортной скорости. Для широкого внедрения новых машин в практику лесозаготовок необходима возможность их круглогодичного использования, так как сезонность работы техники обуславливает существенное увеличение срока ее окупаемости и делает ее приобретение нерентабельным. Для повышения эффективности эксплуатации колесных лесных машин на переувлажненных почвогрунтах в теплое время года ведущие фирмы-производители лесной техники выпускают моногусеницы. У колес с гусеницами сцепление с почвогрунтом выше, чем у обычных колес, кроме того, моногусеницы оказывают на грунт низкое давление. Особенно хорошо преимущества использования гусениц заметны при работе на мягких и болотистых грунтах.

До настоящего времени не разработаны методики и модели, позволяющие прогнозировать изменения глубины колеи (особенно в переувлажненных почвогрунтах) под действием колесно-гусеничного движителя лесной машины. В механике сплошных сред дифференциальные законы связи напряжения и деформации описывают реальные процессы деформирования во времени и допускают их интерпретацию в виде суперпозиции простых механических моделей. С позиции реологической теории почвогрунты в общем случае можно рассматривать как упруговязкопластическую среду, у которой нелинейность обусловлена изменением интенсивности нарастания деформаций с увеличением напряжения; упругость проявляется в наличии восстанавливающих деформаций, вязкость характеризует развитие деформаций во времени, а пластичность определяет развитие необратимой деформации.

Для построения динамической картины состояния почвогрунтов под нагрузкой от движителей лесных машин созданы уравнения движения деформируемой среды, тензор напряжений в которых представляется тензором деформаций.

Линейная упруговязкопластическая деформация описывается формулой:

где – напряжение, Е – модуль упругости, μ – вязкость; – время релаксации, σТ – предельное напряжение, с началом наступления которого происходят упруговязкие деформации, ε – деформация, t – время.

Придав функциональное представление параметрам в линейной модели, формулу нелинейной упруговязкопластической деформации представим в следующем виде:

На основании формулы (2) можно построить уравнение для осадки почвогрунта при действии на него давления со стороны движителя машины:

где р – давление на почвогрунт, х – осадка почвогрунта, Ех , μх , рТ – параметры, характеризующие упругие, вязкие и пластические свойства почвогрунта соответственно.

Для лесных машин можно принять условие , тогда формула (3) примет вид

Введением линейного характера изменения коэффициента вязкости от осадки по мере ее возрастания выразим формулой

нелинейное уравнение (4) представляется в виде

где Ех(х) = С – постоянная Герстнера.

Для оценки лесных почвогрунтов интерес представляет рассмотрение вязкоупругих и вязкопластических моделей, ее можно получить с использованием формулы (6).

Вязкоупругие почвогрунты исследованы на основании решения дифференциального уравнения

которое можно записать в виде

и после разделения переменных

и интегрирования получить следующее решение:

которое можно привести к виду

где 

Рис. 1. Зависимость обобщенной осадки х* от обобщенного времени t*
Рис. 1. Зависимость обобщенной осадки х* от обобщенного времени t*

Рассматриваемая модель является трехпараметрической.

На рис. 1 приведен график зависимости x* от t* при а = 0.

В начале процесса образования осадки почвогрунта при малых х и t

поэтому имеет место линейная связь между временем действия нагрузки и осадкой , которой соответствует уравнение вязкой деформации

С помощью формулы (13) можно определить значение параметра μ0. При t →∞, x* = 1, что дает возможность определить параметр С:

При известных значениях параметров С и μ0 параметр μ определяется исходя из информации о промежуточной осадке.

Исследование колееобразования колесом с жестким ободом выполнено при следующих допущениях: обод колеса представляет собой жесткий цилиндр, который не деформируется при нагрузке; повторные движения колеса происходят по одной и той же колее; время восстановления деформаций существенно превышает промежуток времени между проходами машин.

Рис. 2. Принципиальная схема образования осадкипочвогрунта после n-кратного прохождения колесапо колее
Рис. 2. Принципиальная схема образования осадки почвогрунта после n-кратного прохождения колеса по колее

На рис. 2 приведена принципиальная схема образования осадки при n-кратном прохождении колеса машины по одной и той же колее. Длина горизонтальной проекции соприкосновения колеса с почвогрунтом после n-кратного прохода может быть определена на основании выражения

в свою очередь, осадке соответствует

С учетом того, что

скорость образования осадки равна

Уравнение дискретного характера образования осадки колеи для вязкоупругих почвогрунтов при n-кратном проходе выражается следующей формулой:

Из представления силы

следует значение давления

После интегрирования (19) по ξ с учетом (21) получена формула для расчета осадки колеи после n-го прохождения колесных лесных машин с жестким ободом:

Выражение (15) можно записать в следующем виде:

тогда формулы (22) и (23) позволяют выполнить последовательные вычисления осадки колеи после каждого прохода машин по колее, если принять , , , и т. д.

При линейной вязкоупругой реологической модели почвогрунта уравнение формирование колеи (23) записывается как

Уравнение (24) с учетом (23) может быть приведено к виду

где:

Для вязкой реологии параметр С равен нулю, поэтому из формулы (25) следует линейный характер образования осадки от числа проходов:

При отсутствии вязкой составляющей, μ0 = 0, формула (25) принимает следующий вид:

Для упругих почвогрунтов параметры, характеризующие вязкие свойства, равны нулю, μ0 = μ = 0, поэтому из уравнения (24) следует уравнение для колееобразования:

с учетом формулы (24) и обозначения

уравнение (28) принимает вид

С введением безразмерных переменных un и δn

уравнение (30) приводится к следующему виду:

При n = 1 и δ0 = 0 получаем и  .

Рис. 3. Зависимость обобщенной глубины колеиот числа проходов
Рис. 3. Зависимость обобщенной глубины колеи от числа проходов

Далее можно определить u2, δ1 и т. д. Вид зависимости обобщенной глубины от числа проходов представлен на рис. 3. Эмпирическим обобщением зависимости, представленной на рис. 3, является формула

или

Для вязкопластических почвогрунтов согласно формуле (6) составлено уравнение деформативности:

после его интегрирования получаем связь между временем воздействия лесной машины на почвогрунт и осадкой в виде параболы:

из которого следует, что в начале процесса образования осадки

что соответствует линейному уравнению

Таким образом, параметр μ0 можно определить по развитию начального процесса образования осадки, а μ – по последующей информации. Исследование картины колееобразования для вязкопластических почвогрунтов можно выполнить на основании формулы

или после интегрирования по ξ получаем уравнение

которое с учетом формулы (25) принимает следующий вид:

что позволяет исследовать последовательное увеличение осадки при последовательном проходе по колее колесных лесных машин. При μ = 0 формула (44) принимает вид квадратного уравнения относительно величины , а при большой скорости движения машин (44) перейдет в формулу

и тогда формула (45) принимает вид квадратного уравнения относительно .

При анализе деформации почвогрунтов колесно-гусеничными машинами приняты допущения: гусеница представляется в виде тонкой ленты, жесткость которой при изгибе вокруг оси, параллельной движению, бесконечно большая; жесткость вокруг другой оси, перпендикулярной первой и лежащей в плоскости ленты, исчезающе мала; ширина ленты равна ширине обода колеса; время восстановления деформации почвогрунта после прохода лесной машины много больше времени последующего прохода; лесная машина проходит по одной и той же колее.

Рис. 4. Принципиальная схема деформациипочвогрунта под гусеницей машины
Рис. 4. Принципиальная схема деформации почвогрунта под гусеницей машины

Принципиальная схема деформации почвогрунта под колесно-гусеничным движителем лесной машины после n-го числа проходов представлена на рис. 4.

Длина проекции области соприкосновения гусеницы с почвогрунтом на горизонтальную плоскость равна

где горизонтальная проекция деформации колесом выражена формулой

Осадка почвогрунта может быть описана выражением

После дифференцирования ξ по времени получено представление

и скорость образования осадки

Сила деформации согласно формуле (46) равна

где b – ширина гусеницы.

Для вязкоупругой модели получено выражение

Тогда (51) принимает следующий вид:

Из формулы (23) следует

и формула (52) принимает следующий вид:

Из формулы (55) следует выражение для определения давления на почвогрунт:

На основании формул (53) и (56) получаем:

При l = 0, что соответствует условию движения колесных лесных машин с жестким диском, формула (57) переходит в формулу

В том случае, когда выполняется условие l >> а, формула (57) принимает вид

Полученные формулы позволяют по заданной реологии почвогрунта последовательно определять осадку при известной осадке от предшествующего прохождения машины по колее. Приняв начальное условие h0 = 0, можно последовательными решениями построенных уравнений определять глубину образующейся колеи в результате очередного прохода лесной машины. Величину осадки после первого прохода принимаем за и согласно формуле (59) получаем уравнение

решение которого позволяет определить глубину колеи после первого прохода машины. Далее

При малой скорости движения машины формула (59) переходит в формулу

поэтому формула для определения глубины колеи после первого прохода лесной машины выглядит так:

Сравним образование колеи в почвогрунтах колесно-гусеничными и колесными машинами. Согласно динамическим испытаниям грунтов, реологические свойства которых описываются уравнением (6) при μ0 = 0, зависимость осадки от числа ударов постоянной силы имеет вид

Подобная однопараметрическая зависимость позволяет по глубине первого прохода определять глубину всех последующих.

Согласно формулам (61)–(63) получаем

Тогда 

После первого прохода глубина колеи равна , после второго – , после третьего , после четвертого , и т. д.

Отметим, что условие малой скорости движения лесной машины эквивалентно условию μ = 0, которое характеризует почвогрунты как упруго деформируемые.

Для проверки адекватности теоретических положений были проведены лабораторные и производственные экспериментальные исследования, в ходе которых использовался почвогрунт, отобранный на лесосеках Ленинградской области. Его исходная плотность составляла ρ0 = 750–850 кг/м3, которая была принята в качестве начальной плотности. Для формирования образцов и придания грунту разной плотности использовался прибор стандартного уплотнения, с его помощью создавались опытные образцы трех категорий плотности: I – ρ = 1,35 – 1,45, II – ρ = 1,45 – 1,55 и III – ρ = 1,55 – 1,65 т/м3. Пределы пластичности почвогрунта определялись с использованием стандартного балансирного конуса А. М. Васильева. Модули упругости и деформации грунта определялись с помощью настольного рычажного пресса. Опытным путем были определены влажность на границе текучести WТ = 44% и влажность на границе раскатывания Wр = 32%. Было установлено число пластичности для исследуемого почвогрунта Wпл = 12, и в дальнейшем он был классифицирован по влажности с выделением следующих категорий: влажный и переувлажненный.

Для лабораторных испытаний почвогрунта использовался метрологически поверенный электронный динамометр сжатия ДОС-3-И, включающий тензодатчик 101ВН и индикаторный терминал R320 с обработкой результатов с помощью специального программного обеспечения и ретрансляцией данных в приложениях Excel. В ходе испытаний фиксировались: эпюры вертикальных напряжений в зависимости от соответствующих относительных деформаций образцов; предельная нагрузка, при которой образец разрушался, и соответствующие этому значению предельные величины относительной вертикальной деформации. На следующем этапе испытаний оценивалось влияние цикличности вертикальных нагрузок на процесс деформации почвогрунта. В качестве постоянной (фиксированной) принималась нагрузка, равная 70–80% предельной разрушающей нагрузки. Поскольку диапазон изменения плотности образцов (ρ = 1,37–1,65 т/м3) в 1,8–2 раза превышает начальную плотность ρ0 = 0,75–0,85 т/м3, были приняты следующие допущения: основная фаза уплотнения почвогрунта реализована в процессе формирования образцов, и в ходе циклической нагрузки восстановленная (упругая) деформация суммируется с остаточной (вязкопластической) деформацией, после чего определяется истинная деформация.

Экспериментальные исследования в производственных условиях с целью получения закономерностей колееобразования в переувлажненных почвогрунтах под воздействием лесных машин с разными движителями проводились в октябре в условиях Пчевжинского участкового лесничества. В производственных условиях выполнялся пассивный эксперимент, заключавшийся в измерении глубины колеи, образующейся после каждого прохода форвардера John Deere 1110D с колесным движителем, а затем после прохода того же форвардера с моногусеницей. Основные задачи, которые решались в ходе экспериментальных исследований: получение сведений об адекватности разработанной математической модели оценки процессов деформирования переувлажненного почвогрунта под воздействием лесных машин с колесными и колесно-гусеничными движителями, а также получение закономерностей колееобразования в переувлажненных почвогрунтах под воздействием машин с колесным и колесно-гусеничным движителем.

Образование колеи в результате прохода техники по волоку рассматривается как негативный экологический фактор и фактор, лимитирующий работоспособность волока. Под работоспособностью волока понимается количество грузовой работы, после достижения которой он уже не может обеспечить нормальную работу (проезд) машины; при превышении глубины колеи на волоке клиренса лесной машины техника уже не может по нему передвигаться. Для установления закона распределения на ПЭВМ с использованием специальных пакетов прикладных программ (Excel, Statistica и Mathcad) были выполнены статистический анализ и обработка данных. Результаты статистической обработки показали, что вначале с увеличением числа проходов лесной машины наблюдается интенсивный рост глубины колеи, вызванный разрушением верхнего и уплотнением нижнего слоя почвогрунта. В дальнейшем интенсивность колееобразования либо уменьшается (при проходах машины с колесно-гусеничным движителем), либо увеличивается (при проходах машины с колесным движителем).

Сравнительный анализ экспериментальных и теоретических данных показал, что расхождение опытных и расчетных величин колееобразования не превышает 8,5%. Таким образом, выполненные исследования подтверждают правильность теоретических положений при реализации математической модели циклического колееобразования в переувлажненном почвогрунте.

Технологический анализ результатов теоретических и экспериментальных исследований показал, что в условиях работы лесных машин на переувлажненных почвогрунтах в теплый период необходимо использовать специальные схемы трелевочных волоков или принимать меры по модификации машин путем оснащения их моногусеницами. Однако эти мероприятия обуславливают существенное повышение трудоемкости подготовительных и вспомогательных работ. Поэтому перед принятием решения об использовании специальных схем разработки лесосеки или оснащении машин гусеницами необходимо выполнить расчет грузовой работы и грузонапряженности волоков, а также прогнозный расчет конечной величины колеи, что позволит без необходимости не повышать трудозатраты на прокладку лишних волоков или монтаж и демонтаж гусениц. Полученные результаты дают основание использовать результаты математического моделирования при прогнозах развития процессов деформации почвогрунта под воздействием колесных и колесно-гусеничных лесных машин.

Антонина НИКИФОРОВА,
канд. техн. наук, доцент каф. ТЛЗП СПбГЛТУ
Игорь БАРАШКОВ, канд. техн. наук