Снижение отрицательного воздействия на почву трелевочных тракторов на выборочных рубках
На правах рукописи
Рудов Сергей Евгеньевич
СНИЖЕНИЕ ОТРИЦАТЕЛЬНОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ НА ПОЧВУ ТРЕЛЕВОЧНЫХ ТРАКТОРОВ НА ВЫБОРОЧНЫХ РУБКАХ
05.21.01 – Технология и машины лесозаготовок и лесного хозяйства
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Петрозаводск – 2010
Работа выполнена в Санкт-Петербургской государственной лесотехнической академии имени С.М. Кирова
Научный руководитель – доктор технических наук, профессор
Григорьев Игорь Владиславович
Официальные оппоненты – доктор технических наук, профессор
Овчинников Михаил Михайлович
кандидат технических наук, доцент
Галактионов Олег Николаевич
Ведущая организация – Государственное образовательное
учреждение высшего
профессионального образования
«Московский государственный
университет леса»
Защита диссертации состоится 23 июня 2010 г. в 14 часов на заседании диссертационного Совета Д 212.190.03 при Петрозаводском государственном университете по адресу: 185910, Россия, Республика Карелия, г. Петрозаводск, пр. Ленина, 33.
С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке
Петрозаводского государственного университета.
Автореферат разослан « » мая 2010 г.
Ученый секретарь
диссертационного Совета,
(пр. 301 от 22.04.2010 г.) Рогов А.А.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. Центральной задачей лесного комплекса всегда было сохранение, приумножение и эффективное использование лесных богатств в интересах человека, общества и государства. Развитие отраслевой науки и практические действия предприятий всех основных и обслуживающих подотраслей должны быть направлены на создание «эффективной системы использования природных ресурсов». Именно это требование содержалось в одном из посланий Президента РФ В.В. Путина Федеральному Собранию. Оно конкретизировано и развито в Концепциях развития лесного хозяйства и лесопромышленного комплекса, одобренных Правительством России. Это же требование красной нитью проходит через Экологическую доктрину РФ (одобренную распоряжением Правительства РФ от 31 августа 2002 г. № 1225-р) и концепцию устойчивого управления лесами РФ.
Повсеместное применение сплошных концентрированных рубок за 70-летний период их проведения привело к существенному изменению структуры всего лесного фонда. В результате таких рубок на месте коренных еловых, сосновых и лиственничных лесов формируются новые менее производительные, преимущественно лиственные леса с участием хвойных пород.
В настоящее время назрела необходимость широкого применения несплошных рубок (выборочные, постепенные, комплексные) в эксплуатационных лесах. Реализация предлагаемых рубок будет способствовать рациональному и неистощительному лесопользованию, воспроизводству и повышению производительности лесов. На развитие оставляемых на доращивание деревьев, и на всю экосистему в целом значительное влияние оказывают машины и технологические процессы лесосечных работ. Среди ведущих влияющих факторов можно отметить повреждения стволов оставляемых на корню деревьев, а также минерализацию и переуплотнение лесных почво-грунтов.
В Перечень Приоритетных направлений развития науки, технологий и техники в Российской Федерации, утвержденного Президентом РФ 21 мая 2006 г. Пр-843, входит пункт «Рациональное природопользование», который имеет отношение и к экологической совместимости системы «трелевочная система – лесная почва».
Известны два пути преодоления противоречий между экологией и возобновлением леса, с одной стороны, и лесозаготовительной техникой и технологией – с другой: во-первых, разработка технологий лесосечных работ, соответствующих применяемым лесозаготовительным машинам и, в то же время, предусматривающих возможно минимальное нанесение повреждений лесу и его составным частям – подросту, оставляемым на корню деревьям, почве и пр.; во-вторых, разработка новых лесозаготовительных машин, отвечающих требованиям лесозаготовительного производства и лесоводства, таких, которые не снижали бы продуктивность леса и его способность к возобновлению. Наиболее экономически эффективным признан первый путь, поскольку не представляется возможным создать серийный ряд машин для всех возможных природно-производственных условий.
Цель работы. Повышение эффективности лесозаготовительного производства на выборочных рубках леса снижением отрицательного воздействия трелевочных тракторов, и трелевочных систем на их базе, на почву при разработке лесосек путем обоснованного выбора режимов движения для конкретных почвенно-грунтовых условий исходя из требований устойчивого лесопользования.
Объекты исследований. Для изучения взаимодействия трелевочного трактора и трелевочной системы на его базе с почвой лесосеки использовались трелевочные тракторы Алтайского тракторного завода, а также деревья на лесосеке, пройденной проходной рубкой в 1998 г.
Научная новизна работы. Разработанная математическая модель воздействия трелевочного трактора, и трелевочной системы на его базе, на почво-грунт, с учетом его физико-механических свойств, режимов движения трактора, позволяет разрабатывать организационно-технологические мероприятия, благодаря которым плодородие почвы при разработке лесосек в конкретных производственных условиях будет сохранено.
Значимость для теории и практики. Математическая модель воздействия трелевочного трактора, и трелевочной системы на его базе на почвы лесосек углубляют теорию движения трелевочного трактора, и технологии лесозаготовительного производства в экологической сфере. Предложенная методика позволяет разрабатывать организационные, технологические и экологические мероприятия освоения лесосек при выборочных рубках, обеспечивающие снижение отрицательного воздействия на почву.
На защиту выносятся следующие положения:
- Математическая модель уплотнения почво-грунта боковых полос трелевочного волока, позволяющая оценивать уплотнение почво-грунта в зависимости от режима работы трелевочного трактора и его характеристик.
- Оценка экологической эффективности трелевочного трактора на выборочных рубках.
- Зависимость между транспортной нагруженностью трелевочных волоков на несплошных рубках и последующим приростом древостоя в боковых полосах трелевочных волоков.
Достоверность выводов и результатов исследований обеспечена: применением методов математической статистики; проведением экспериментальных исследований в производственных условиях и подтвержденной адекватностью полученных моделей за счет хорошей сходимости экспериментальных и теоретических данных.
Апробация работы. Основные положения диссертации и отдельные ее разделы докладывались и обсуждались на первой и второй международных научно-практических Интернет конференциях «Леса России в XXI веке» (Санкт-Петербург, 2009 г.); Международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы развития лесного комплекса» (Вологда, 2009 г.); Межвузовской научной конференции «Молодая мысль: Наука. Технологии. Инновации» (Братск, 2009 г.); Международной научно-практической конференции «Современные проблемы лесозаготовительных производств, производства материалов и изделий из древесины: пиломатериалы, фанера, деревянные дома, заводского изготовления, столярно-строительные изделия» (Санкт-Петербург, 2009 г.); и ежегодных научно-технических конференциях Санкт-Петербургской государственной лесотехнической академии имени С.М. Кирова в 20082010 гг. Материалы работы входят в проект «Средощадящие технологии разработки лесосек в условиях Северо-Западного региона Российской Федерации», награжденный дипломом III степени Национальной Экологической Премии "ЭкоМир", в номинации «Экологическая наука и технологии», за 2009 г., руководитель проекта – д.т.н., проф. И.В. Григорьев.
Публикации. Материалы диссертации опубликованы в семи печатных работах. Результаты исследований отражены в научно-технических отчетах по НИР.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, основных выводов и рекомендаций, списка литературы. Общий объем работы 147 с. Диссертационная работа содержит 37 рисунков, 18 таблиц. Список литературы содержит 149 источников.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении сформулирована актуальность темы диссертационной работы, определена цель исследований, изложены научная новизна и практическая ценность работы, сформулированы основные положения выносимые на защиту.
1. Состояние вопроса и задачи исследования
Рассмотрено состояние проблемы, включая особенности различных видов выборочных рубок, современное состояние и перспективы развития технологии лесозаготовительных производств, лесоводственно-экономическая эффективность выборочных рубок леса, показатели и характеристики оценки почво-грунтов, оценка воздействия лесозаготовительных машин на лесные почво-грунты, лесоводственные аспекты воздействия лесозаготовительных машин на лесные почво-грунты. Проведен анализ исследований по указанным вопросам.
Большой вклад в решение технических, экологических и технологических проблем лесозаготовительного производства, оптимизации состава технологических процессов, систем машин и режимов их работы внесли отечественные ученые Г.М. Анисимов, В.И. Патякин, В.Н. Меньшиков, В.Г. Кочегаров, А.К. Редькин, В.К. Курьянов, А.М. Кочнев, М.М. Овчинников, В.С. Сюнев, И.Р. Шегельман, С.М. Базаров, Б.М. Большаков, Э.Ф. Герц, Ю.А. Ширнин, А.П. Матвейко, И.В. Григорьев, А.В. Жуков, И.К. Иевень, Б.А. Ильин, В.М. Котиков, В.П. Немцов, В.П. Корпачев, В.Н. Андреев, Ю.Ю. Герасимов, Ю.А. Добрынин, В.И. Варава, М.Н. Лясько, Д.И. Золотаревская, Ю.И. Багин, И.М. Бартеньев, В.С. Петровский, В.В. Коробов, А.И. Жукова, В.Д. Шкрум, С.А. Лысых, ученые МГУЛ, СПбГЛТА, ВГЛТА, УГЛТА, ПетрГУ, АрхГУ, ЦНИИМЭ, ГСКБ ОТЗ, КарНИИЛПКа, и др.
Анализ работ показал, что в настоящее время математические модели с использованием реологических основ механики почвы весьма сложны, связаны с показателями почво-грунта, определяемыми в лабораторных условиях, в этой связи необходимо разрабатывать упрощенные математические модели воздействия движителя на почвы. До настоящего времени не разработаны методики и модели, позволяющие прогнозировать изменения плотности почво-грунта в боковых полосах трелевочного волока, вместе с тем, плотность почво-грунта, в полосах примыкающих к трелевочному волоку, является весьма значимым фактором для роста деревьев, оставляемых на доращивание при выборочных рубках леса.
На основании анализа исследования сформулированы выводы и следующие задачи, которые необходимо решить для достижения поставленной цели:
- Разработать и исследовать математическую модель уплотнения почво-грунта трелевочной системой в боковых полосах трелевочного волока, с учетом физико-механических свойств почвы.
- Получить зависимость между транспортной нагруженностью трелевочных волоков на выборочных рубках и последующим приростом древостоя в боковых полосах трелевочных волоков.
- Разработать методику экспериментальных исследований и обосновать необходимое число измерений для проведения экспериментальных исследований.
- Экспериментальным путем исследовать влияние режимов работы трелевочного трактора на уплотнение почво-грунта в боковых полосах трелевочного волока.
- Получить данные об адекватности разработанных математических моделей.
2. Математическая модель уплотнения почво-грунтов в боковых полосах от трелевочного волока. Основное внимание исследователей традиционно направлено на решение задач уплотнения грунтов именно под движителем, а в качестве основной математической модели принимается одномерная модель деформации грунта при вдавливании штампа в направлении z, нормальном плоскости приложения суммарной силы Q, вызывающей развитие главных нормальных (вертикальных) напряжений z.
Однако почво-грунт под воздействием силы Q находится в объемном напряженном состоянии и для адекватной оценки деформаций необходимо наряду с напряжениями z учитывать главные радиальные r и тангенциальные напряжения, зависящие как от вертикальной координаты z так и от радиальной r, направленной перпендикулярно z, т.е. в направлении удаления от трассы волока.
Рассмотрим задачу, когда сосредоточенная сила Q приложена к фиксированной точке граничной плоскости полубесконечной вязко-упругой среды и направлена нормально к граничной плоскости. Возьмем цилиндрические координаты z, r и с началом в точке приложения силы и осью z, нормальной к граничной плоскости и направленной внутрь среды.
Тогда компоненты тензора напряжений z, r и как функции двух переменных z и r определяются системой уравнений:
z = 
(1 а),
r = 
(1 б),
= 
(1 в),
где – коэффициент бокового расширения (коэффициент Пуассона).
Из системы (1 а)(1 в) следует, в частности, что если среда несжимаема (=0,5), то уравнения, определяющие напряжения в вязко-упругой среде, трансформируются в уравнения чистой упругости.
Применительно к поставленной технологической задаче трелевки такое состояние среды характерно для весенних и осенних периодов, когда почва является чрезмерно увлажненной и глубина ее слоя в таком состоянии достигает 0,5м.
При решении задачи о вдавливании штампа основной интерес вызывает анализ поведения вертикальной компоненты z.
Отметим, что при r=0, т.е. при использовании одномерной классической модели, затухание напряжений подчиняется степенному закону и происходит пропорционально величине 
. В этом случае связь z с вертикальным давлением под штампом qв описывается с помощью известных зависимостей.
Однако при r0 развитие компоненты z происходит по закону, отличному от степенного и определяется поведением двумерной функции fz(z,r) =
.
На рис. 1 представлено: по оси ординат (1/м2) – значения функции fz(z,r), по оси абсцисс – вертикальная координата z (м) для трех различных значений координаты r = 0,2 м, r = 0,3 м и r = 0,4 м.
Рис. 1. Характер зависимости напряжений от координаты z:
1 r = 0,2 м; 2 r = 0,3 м; 3 r = 0,4 м
Как следует из рис. 1, развитие напряжений с глубиной погружения штампа характеризуется наличием экстремума, причем по мере увеличения радиальной координаты амплитуда максимума снижается, а сам экстремум удаляется от границы волока.
При фиксированной глубине погружения штампа (z=const) характер изменения функции fz(z,r) отражается на рис. 2, в зависимости от координаты r, м. Данные соответствуют трем различным значениям вертикальной координаты z: z = 1м, z=0,5м и z= 0,3 м и свидетельствуют об экспоненциальном затухающем характере поведения функции fz(z,r), причем коэффициент затухания изменяется весьма существенно от -1,81 (кривая 1) до -6,67 (кривая 3).
Принимая z=1 м в качестве масштабной единицы с учетом соотношения (1 а), видим, что по мере приближения к поверхности грунта интенсивность затухания вертикальных напряжений с ростом радиальной координаты r возрастает.
Рис.2. Характер зависимости напряжений от координаты r:
1 z=1 м; 2 z=0,5 м; 3 z=0,3 м
В этом случае для объективной оценки процесса уплотнения целесообразно рассматривать напряжения, возникающие на глубине зоны деформации h, а область изменения вертикальной координаты z ограничить пределами от 0 до H-h, где H размер зоны распространения деформаций, т.е. удаленность твердого недеформируемого основания почвы от свободной поверхности. Для инженерных расчетов кривая 1 хорошо описывается прямой, в связи с чем, введем безразмерную функцию k(r,h), учитывающую снижение напряжений на глубине зоны деформаций h по мере удаления расчетной точки от границы волока:
(2)
Полученные результаты свидетельствуют о существенном влиянии вертикальных напряжений и связанных с ними вертикального давления qв на развитие напряженно-деформированного состояния почво-грунта не только в пределах волока, но и за его границами, что безусловно оказывает влияние на процесс уплотнения массива в прилегающей к волоку зоне корневой системы подроста деревьев.
Вертикальное давление qв определяется на основе модели оценки сопротивления грунта вдавливанию штампа шириной b с глубиной грунтозацепа ld с учетом установленных закономерностей поведения двумерной функций fz(z,r) и введенной безразмерной функции k(r,h) по мере погружения штампа на глубину h:
, (3)
где: Е – модуль деформации, 
коэффициент, учитывающий увеличение общей деформации грунта при погружении ядра уплотнения, – угол внутреннего трения, 
параметр штампа, определяемый через параметры a и D: 
, D – диаметр круга, равновеликий площади F штампа.
Дополнительным фактором влияния на развитие указанных процессов является горизонтальное давление qг, также воздействующее на грунт за пределами волока через механизм сдвига и связанное с вертикальным давлением qв обобщенным уравнением Кулона.
Таким образом, при механическом воздействии штампа на почву наблюдается объемный характер напряжений и неразрывно с ним реализуются два вида деформации – уплотнение и сдвиг, причем доля деформаций, вызываемых сдвигом, интенсивно возрастает по мере увеличения внешней нагрузки (давления).
Примем, что деформация почвы происходит в рамках схемы, представленной на рис. 3. Тогда в качестве сосредоточенной силы Q в системе уравнений (1) выступает Q= G+Q1. Уравнение предельного равновесия, когда происходит срез почво-грунта, может быть представлено в виде:
, (4)
где: f1 коэффициент сопротивления движению трактора; f2 коэффициент сопротивления движению волочащейся части пачки; Р продольная реакция почво-грунта на грунтозацепах; Р сила трения грунтозацепов о почво-грунт.
С учетом введенных параметров соотношение (4) запишем в виде:
,
откуда 
. (5)
Основные характеристики почво-грунта могут быть получены из его паспорта прочности:
, 
, (6)
где: С0 – внутренне сцепление почво-грунта; – угол внутреннего трения, j – величина сдвига (смещения) почво-грунта; jS – предельное смещение (режим текучести грунта), определяемое либо экспериментально по диаграмме объемного сжатия, либо расчетным путем с помощью соотношения 
при известной величине модуля сдвига Есд.
Рис. 3. Схема нагружения почво-грунта:
Рк – касательная сила тяги; Р1 – сила сопротивления качению; Р2 – сила сопротивления скольжению волочащейся части пачки; G – сила тяжести трактора; Q1 – сила тяжести части пачки размещенной на тракторе; Q2 – сила тяжести волочащейся части пачки:
; 
где: 
предельное касательное давление (сопротивление срезу); п – число одновременно нагруженных грунтозацепов; F – площадь грунтозацепа; – коэффициент трения резины о грунт.
Так при Есд=400 кПа предельное смещение составит js=0,225 м, а для грунтов с Есд=200 кПа – увеличится до 0,45 м.
При наличии нескольких грунтозацепов, смещение грунта в направлении соседнего, отстоящего на расстоянии, происходит по закону:
. (7)
На основании выражений (4) и (7) определяется приведенное давление 
:
(8).
Процесс уплотнения при циклическом нагружении, когда трелевочный трактор проходит N раз по одному и тому же участку волока, будем оценивать с помощью соотношения для определения величины 
относительной плотности: 
, а 0 – начальная плотность почвы:
, (9)
где: – эмпирический коэффициент интенсивности накопления необратимой деформации почвы при повторных нагружениях; – эмпирический коэффициент, зависящий от размера и формы опорной поверхности.
Необходимо учитывать, что начальная плотность грунта 0 не является абсолютной константой, а зависит от глубины зоны деформаций h.
Зависимость 0 (h) хорошо описывается полиномом второй степени и применительно к поставленной задаче статистическая обработка экспериментальных данных позволила установить:
0 = 0 (0){-0,35 h2+0,74h +1}, (10)
где 0 (0)- плотность естественного сложения грунта на поверхности почвы.
Разработанная модель на первом этапе была реализована для сложных условий трелевки, когда слабый почво-грунт характеризовался достаточно высокой степенью переувлажнения и его влажность принималась соизмеримой с пределом текучести.
Исходные параметры почво-грунта- 0(0)= 850 кг/м3, Е=400 кПа, = 0,35, Со=12кПа, =15о, jS =0,225м, =1. На рис. 4 приведены расчетные зависимости приведенного давления 
, МПа, от глубины зоны деформации h, м, в пределах ее изменения от поверхности почвы до глубины грунтозацепа h= ld для двух значений радиальной координаты r: r=0 м и r= 0,05м. Как показывают произведенные оценки, несмотря на то, что величина 
на глубине грунтозацепа снизилась в 1,5 раза (с 0,171 до 0,113 МПа), тем не менее, ее абсолютные значения в несколько раз превосходят показатель несущей способности слабых грунтов, которая составляет 0,010,06 МПа.
На рис. 5 для первого цикла прохода трелевочной системы (N=1) представлены зависимости 
для трех различных значений удаления от границы волока: r=0 м, r= 0,1 м, и r= 0,2 м.
Как видим, с высокой точностью расчета полученные зависимости можно описать общим линейным уравнением, а функцию изменения плотности можно представить как функцию двух переменных h и r:
= 1+ h, (11)
где коэффициент (угол наклона прямых) зависит только от радиальной координаты r и подчиняется экспоненциальному закону: =е-r.
Для данных условий трелевки в вязко-упругой среде грунта (=0,35) установлено: =2,2е-1,83r. Для несжимаемой среды (=0,5), когда изменение формы происходит без изменения объема, почво-грунт характеризуется максимальной влажностью и превышением предела текучести. В этом случае зависимость для определения угла наклона прямых принимает вид: =1,9е-1,5r.
Анализ поведения экспоненциальной затухающей функции (r) показывает, что при одном и том же удалении от границы волока процесс уплотнения проходит тем интенсивнее, чем выше влажность грунта, т.е. этот фактор следует оценивать как отрицательный с позиций влияния процессов уплотнения на развитие корневой системы подроста. Влияние циклической проходки трелевочной системы на величину уплотнения грунта отражено на графиках рис. 6. Зависимости соответствуют глубине деформации h=0,5H при N=1, N=3 и N=5.
Рис. 4. Зависимость величины приведенного давления от глубины зоны деформации: 1 r=0 м; 2 r= 0,05 м
Полученные результаты позволяют, в частности, решить следующую задачу: задавшись допустимым уплотнением почвы в зоне корневой системы подроста, например 
=1,8, можно оценить, что при одном проходе трелевочной системы допустимое удаление (rd) от границы волока составит rd=0,2 м, при N=3 величина rd увеличивается до 0,46 м, а при N=5 – достигает 0,6 м.
Рис. 5. Зависимость относительной плотности от координат h и r:
1 r=0 м; 2 r= 0,1 м; 3 r= 0,2 м
Рис. 6. Характер уплотнения почвы по мере удаления от границы волока:
1 N=1; 2 N=3; 3 N=5
Рис. 7. Зависимость уплотнения от удаления от волока и числа циклов
Объемный график функции двух переменных 
(r, N) представлен на рис. 7. Обобщая полученные данные для условий эксплуатации трелевочной системы в весьма слабых грунтах установлена функциональная (коэффициент детерминации R2
1) зависимость величины rd от количества совершаемых циклов N проходки:
rd= 0,2 +0,25lnN (12)
Полученные для слабых грунтов результаты позволили расширить апробацию разработанной математической модели для условий трелевки по волокам с почво-грунтами средней устойчивости (влажность составляет порядка 55-75% предела текучести) и прочным (влажность ниже предела пластичности). Реализация математической модели показала, что в качестве одного из интегральных показателей состояния грунта при оценке процесса его уплотнения можно принять величину V=EH, поскольку этот параметр входит в основные расчетные соотношения (4) и (10). Принимая этот показатель для слабых грунтов (V=200 кН/м) за начало отсчета, получим, что для грунтов средней устойчивости коэффициент kp увеличения показателя V составит kp=760/200=3,8, а для прочных грунтов - kp=6750/200=33,8. Таким образом, достаточно широкий класс грунтов можно рассматривать в диапазоне изменения коэффициента kp от 1 до 40. Функция зависимости безразмерных параметров 
(kp) представлена на рис. 8.
Рис. 8. Зависимость изменения относительной плотности от увеличения прочности почво-грунта
С учетом полученных результатов установлены функциональные зависимости (рис. 9) величины допустимых размеров охранной полосы rd, м, от количества совершаемых циклов N, для условий трелевки по слабым грунтам, грунтам средней прочности, и прочным грунтам. С помощью графических зависимостей, представленных на рис. 9, представляется возможным решение следующей задачи. Принимая, в соответствии с установленным технологическим регламентом, размер допустимой охранной полосы, например rd=0,5 м, необходимо ограничить количество проходов трелевочной системы по слабым грунтам числом 3, по грунтам средней устойчивости допускается увеличение числа проходов до 5, а по прочным грунтам – до 9 циклов.
Полученные результаты свидетельствуют о том, что число циклов параметр N – является важным фактором влияния не только на процесс переуплотнения почво-грунта, но и установления допустимых размеров охранных полос от границ волока до корневой системы деревьев оставляемых на доращивание после рубки. Как показали расчеты, процесс уплотнения грунта зависит от массы трелевочной системы Мс, представляющей собой суммарную массу трелевочного трактора Мт и пачки Мп. Именно эти характеристики определяют расчетные силовые параметры G, Q1 и Q2 (рис. 3) и развиваемые в массиве грунта компоненты тензора напряжений.
Рис. 9. Зависимость размера охранной полосы от числа циклов трелевки для трех категорий грунтов: 1 – для условий трелевки по слабым грунтам; 2 – для условий трелевки по грунтам средней прочности; 3 – для условий трелевки по прочным грунтам
Линейная зависимость изменения относительной плотности 
от массы Мс отражена на рис.11. Расчет выполнен для слабых переувлажненных почво-грунтов на первом цикле прохода трелевочной системы.
Анализ результатов расчетов показывает, что рост массы трелевочной системы обусловливает адекватное линейное увеличение размеров охранных полос.
Рис. 10. Зависимость относительного уплотнения от массы трелевочной системы
3. Методика и аппаратура экспериментальных исследований. Экспериментальные исследования производились на лесосеках Усть-Вихоревского лесничества Падунского лесхоза летом и осенью 2008 и 2009 годов совместно с сотрудниками кафедры Лесные машины и оборудование Братского государственного университета, а также на лесосеке, расположенной на территории Лисинского лесхоза-техникума, Тосненского района Ленинградской области.
Почвенно-грунтовые и рельефные условия лесосек сходные, во всех случаях подстилающими грунтами являлись суглинки. Главными и преобладающими породами на всех лесосеках являлись хвойные.
Для изучения строения почвы на каждом волоке были сделаны почвенные разрезы на глубину 1 метр. Перед первым проходом трактора, трассы пасечных волоков были разбиты на пикеты с расстоянием между ними 1 метр. На каждом пикете были взяты пробы естественной плотности лесного почво-грунта. Пробы почвы брались с помощью оригинального прибора, изготовленного по а.с. № 32277 от 10.09.2003 г. Затем, после каждого прохода трелевочного трактора, на каждом пикете бралась проба плотности почвы в следе гусеничного движителя, причем всякий раз место забора пробы несколько смещалось, что бы исключить влияние пробы взятой до этого. Пробы брались до окончания разработки пасеки на всех тех пикетах, мимо которых прошел трактор с пачкой за данный заход. Образцы (керны) почвы помещались каждый в герметично закрывающийся пакет и снабжались биркой с указанием номера пикета и номера прохода, и в дальнейшем взвешивались в лабораторных условиях.
Также при выполнении экспериментальных исследований проводилось обследование вырубки прошлых лет, для получения сведений о влиянии транспортной нагруженности трелевочных волоков на развитие деревьев, оставляемых доращивание после рубки. В боковых полосах от трелевочных волоков визирами были размечены полосы шириной 2 м. В этих полосах были выделены участки с одинаковой расчетной величиной транспортной нагруженности. На этих участках, при помощи возрастного бурава, отбирали 710 кернов из спелых и приспевающих деревьев ели, которая была выбрана в качестве индикатора влияния транспортной нагруженности на развитие деревьев оставляемых на доращивание, за счет поверхностной корневой системы. При отборе деревьев для взятия кернов проводился осмотр ствола на наличие повреждений при проведении рубки. Стволы с повреждениями для отбора проб не использовались.
Наличие 710 образцов обеспечило 10-ти % точность исследования, при коэффициенте изменчивости 2225%, и вероятности 068. Керны отбирались на высоте 1,3 м от шейки корня. С каждого дерева бралось 2 керна.
Для изучения взятых образцов использовалась измерительная лупа. Средняя ширина годичных колец вычислялась делением длины керна, соответствующей 10-ти годам, прошедшим с момента рубки, на число колец на нем. Для сравнения, на границах пасек (в местах наиболее удаленных от волоков) были сделаны заборы кернов из деревьев ели, которые в дальнейшем использовались в качестве контроля.
4. Результаты экспериментальных исследований. Полученные экспериментальная данные были обработаны при помощи прикладных программ для ПЭВМ. С помощью указанных программ из массивов экспериментальных данных были получены основные статистики законов распределения плотности почво-грунта, изменения прироста годичных колец, представленные на рис. 11.
а)  | б)  |
Рис. 11. Графическая интерпретация экспериментальных данных:
а) изменение плотности почвы в боковых полосах трелевочного волока от числа двойных проходов трелевочной системы; б) Влияние транспортной нагруженности участков трелевочного волока на рост оставляемых на доращивание деревьев в боковых полосах, примыкающих к трелевочному волоку: 1 – экспериментальные данные; 2 – линия тренда
Результаты эксперимента показали, что за четыре двойных прохода трелевочной системы математическое ожидание плотности почвы возросло до относительной плотности 
=1,551,6, сравнение полученных экспериментальных данных с расчетными свидетельствует о достаточной точности теоретических расчетов. Обработка экспериментальных данных дисперсий плотности почвы в боковых полосах трелевочного волока позволили выявить важную особенность деформирования лесных почво-грунтов с ростом числа двойных проходов трелевочной системы, а именно – эффект его упаковки и формирования более жесткой структуры почвы. При увеличении числа двойных проходов трелевочной системы, наряду с ростом значения математического ожидания плотности почво-грунта, наблюдается постепенное снижение дисперсии плотности, и начиная именно с четвертого – пятого рейсов формы кривых распределения мало отличаются по форме между собой, что свидетельствует о переходе почво-грунта из состояния аморфной и слабосвязанной структуры к более определенной, с прогнозируемыми физико-механическими характеристиками.
Из рис. 11 б видно, что влияние транспортной нагруженности на ширину годичных колец деревьев ели в боковых полосах трелевочного волока хорошо аппроксимируется линейной зависимостью, с коэффициентом детерминации R2>0,9. Для условий проведения эксперимента, зависимость выглядит следующим образом:
в=-0,019 АГР+4,673, (13)
где: Агр – транспортная нагруженность волока, кНкм; в – ширина годичных колец, мм.
Основные выводы и рекомендации:
1. Повышение эксплуатационной и экологической эффективности проведения выборочных рубок леса возможно, за счет разработки организационно-технологических мероприятий, основывающихся на учете специфики каждой конкретной лесосеки, с применением разработанных математических моделей и полученной зависимости между транспортной нагруженностью трелевочных волоков и повреждений почво-грунтов.
2. Разработанная математическая модель оценки особенностей объемной деформации массива почво-грунта под действием системы статических нагрузок позволяет для разнообразных условий трелевки по волокам с грунтами различного состояния и степени увлажнения устанавливать оптимальные параметры трелевки, при которых обеспечивается минимальное вредное воздействие переуплотнения на развитие корневой системы деревьев, оставляемых на доращивание после рубки.
3. Транспортная нагруженность трелевочных волоков имеет тесную прямую зависимость с уплотнением почво-грунтов в боковых полосах трелевочного волока, и наилучшим образом описывается полиноминальной регрессионной зависимостью вида второй степени.
4. Исследование экспериментально полученных данных показали, что под действием движителей лесозаготовительной техники изменяются обе статистики закона нормального распределения плотности почво-грунта, при этом математическое ожидание плотности почвы растет, что наилучшим образом описывается полиноминальной регрессионной зависимостью вида второй степени, а дисперсия плотности почвы уменьшается, что наилучшим образом описывается степенным законом. Данный факт свидетельствует о переходе почво-грунта из состояния аморфной и слабосвязанной структуры к более определенной, с прогнозируемыми физико-механическими характеристиками.
5. На боковых участках трелевочных волоков с транспортной нагруженностью более 100 кНкм, что соответствует участкам с числом проходов 9 и более, ширина годичных колец деревьев ели в два раза меньше, чем на контрольных участках. Это приводит к существенному снижению прироста древесины, и, соответственно, экономическим потерям.
6. Влияние транспортной нагруженности на ширину годичных колец деревьев ели в боковых полосах трелевочного волока хорошо аппроксимируется линейной зависимостью, с коэффициентом детерминации R2>0,9.
7. Для предотвращения переуплотнения боковых полос трелевочного волока необходимо ограничить количество проходов трелевочной системы по слабым грунтам числом 3, по грунтам средней устойчивости допускается увеличение числа проходов до 5, а по прочным грунтам – до 9 циклов.
Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:
1. Григорьев И.В., Рудов С.Е., Григорьева О.И., и др. Показатели качества процесса лесоэксплуатации / Материалы Международной научно-практической конференции «Современные проблемы лесозаготовительных производств, производства материалов и изделий из древесины: пиломатериалы, фанера, деревянные дома, заводского изготовления, столярно-строительные изделия».СПб.: НП «НЦО МТД», 2009. Том. 2. С.155-163.
2. Рудов С.Е., Лепилин Д.В., Киселев Д.С. Сравнительный анализ сплошных и выборочных рубок / Молодая мысль: Наука. Технологии. Инновации: Материалы Межвузовской научной конференции студентов, магистрантов, аспирантов и молодых ученых. – Братск: ГОУ ВПО «БрГУ», 2009. – С. 83-88.
3. Григорьев И.В., Жукова А.И., Рудов С.Е., Есин Г.Ю. Изменения основных статистик плотности почвы под воздействием лесозаготовительных машин // Сборник научных трудов "Технология и оборудование лесопромышленных комплекса" СПб.: ЛТА, 2009. Том 4, 53 – 57.
4. Рудов С.Е., Теппоев А.В., Волков А.В., Пчеловодов Е.С. Особенности различных видов выборочных рубок // Сборник научных трудов "Технология и оборудование лесопромышленных комплекса". СПб.: ЛТА, 2009. Том 3, С. 24 – 34.
5. Рудов С.Е. Исследования воздействия лесозаготовительных машин на почву при несплошных рубках / Материалы первой международной научно-практической Интернет конференции «Леса России в XXI веке». СПб.: ЛТА, 2009. С. 160164.
6. Григорьев И.В., Шапиро В.Я., Рудов С.Е. Моделирование уплотнения почвогрунта в боковых полосах от опорной поверхности трактора / Материалы второй международной научно практической интернет-конференции "Леса России в ХХI веке". СПб.: ЛТА, 2009. С. 194-202.
7. Григорьев И.В., Шапиро В.Я., Рудов С.Е., Жукова А.И. Модель процесса циклического уплотнения грунта в полосах прилегающих к трелевочному волоку // Вестник КрасГАУ.-2010. № 2. С. 814.
Просим принять участие в работе диссертационного Совета Д.212.190.03 или прислать Ваш отзыв на автореферат в двух экземплярах с заверенными подписями по адресу: 185910, Россия, Республика Карелия, г. Петрозаводск, пр. Ленина, 33, факс (8142) 71-10-00.
