Оценка влияния поворотов трелевочного трактора на уплотнение почвогрунтов лесосеки
На правах рукописи
ЛЕПИЛИН Дмитрий Владимирович
ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ ПОВОРОТОВ ТРЕЛЕВОЧНОГО ТРАКТОРА НА УПЛОТНЕНИЕ ПОЧВОГРУНТОВ ЛЕСОСЕКИ
05.21.01 – Технология и машины лесозаготовок и лесного хозяйства
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Петрозаводск – 2011
Работа выполнена на кафедре технологии лесозаготовительных производств 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
Катаров Василий Кузьмич
Ведущая организация – Государственное образовательное
учреждение высшего
профессионального образования
«Уральский государственный
лесотехнический университет»
Защита диссертации состоится 30 сентября 2011 г. в 17 часов на заседании диссертационного совета Д 212.190.03 в Петрозаводском государственном университете / 185910, Россия, Республика Карелия, г. Петрозаводск, пр. Ленина, 33/.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета
Автореферат разослан « » августа 2011 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета Р.В. Воронов
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. Сохранение плодородия лесных почв и улучшения их лесорастительных свойств является одним из магистральных направлений научно-технического прогресса в лесозаготовительном производстве. Негативное воздействие на лесные почвогрунты при разработке лесосек оказывают лесосечные машины и персонал. Под воздействием движителей лесосечных машин и древесины почва уплотняется, разрушается ее структура и, как следствие, снижается плодородие. В процессе ливневых дождей по колеям могут вымываться с одного гектара сотни кубометров плодородного слоя почвы. Считается, что восстановление почвенного покрова и плодородия почвы лесосеки произойдет через несколько десятилетий, а это резко снижает продуктивность лесов.
На развитие оставляемых на доращивание деревьев, и на всю экосистему в целом значительное влияние оказывают машины и технологические процессы лесосечных работ. Среди основных влияющих факторов можно отметить повреждения стволов оставляемых на корню деревьев, а также переуплотнение лесных почвогрунтов.
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. Уменьшение экологического ущерба от воздействия трелевочных систем на почву при разработке лесосек в различных почвенно-грунтовых условиях исходя из требований устойчивого лесовозобновления.
Объект исследований. Почвогрунты лесосек в боковых полосах трелевочных волоков.
Предмет исследования. Процесс уплотнения почвогрунтов лесосек в боковых полосах трелевочных волоков под воздействием поворотов трелевочной системы.
Значимость для теории и практики. Разработанные и исследованные математические модели воздействия трелевочной системы на лесную почву, с учетом поворотов, позволяющие определять условия уплотнения, углубляют теорию взаимодействия лесозаготовительных машин с поверхностью движения. Результаты исследования позволяют организационно-технологическими мероприятиями уменьшить экологический ущерб от воздействия трелевочных систем на почву и улучшить ее лесорастительные свойства.
Достоверность выводов и результатов исследований обеспечена: применением методов математической статистики; проведением экспериментальных исследований в лабораторных условиях и подтвержденной адекватностью полученных моделей за счет удовлетворительной сходимости экспериментальных и теоретических данных.
На защиту выносятся следующие положения:
- Математическая модель уплотнения почво-грунта боковых полос трелевочного волока трелевочной системой, позволяющая оценивать уплотнение почво-грунта в зависимости от поворотов трелевочного трактора и его характеристик.
- Закономерности пространственного формирования касательных напряжений в боковых полосах трелевочного волока, в зависимости от угла поворота трелевочной системы.
- Закономерности распределения во времени касательных напряжений в боковых полосах трелевочного волока, в зависимости от угла поворота трелевочной системы.
- Технологические рекомендации, повышающие экологическую эффективность работы трелевочных тракторов.
Апробация работы. Основные положения диссертации и отдельные ее разделы докладывались и обсуждались на первой международной научно-практической Интернет конференции «Леса России в XXI веке» (СПб, 2009 г.); Международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы развития лесного комплекса» (Вологда, 2010 г.); Межвузовской научной конференции «Молодая мысль: Наука. Технологии. Инновации» (Братск, 2009 г.); Конференции «Экспериментальные и теоретические исследования в области инженерных наук», в рамках Политехнического симпозиума «Молодые ученые – промышленности Северо-Западного региона» (СПб, 2008 г.); Научно-методическом семинаре «Сухопутный транспорт леса» (СПб, 2007 г.); и ежегодных научно-технических конференциях СПбГЛТА в 20092011 гг.
Полученные автором в рамках выполнения дипломного проекта научные материалы, ставшие основой настоящего исследования, отмечены дипломом всероссийского конкурса дипломных проектов по специальности 250401 «Лесоинженерное дело» (2008 г.). Часть материалов работы получена при выполнении НИР по гранту Правительства Санкт-Петербурга для студентов, аспирантов, молодых ученых, молодых кандидатов наук 2010 г.
Для продолжения исследований в данной области Министерством образования и науки РФ и Германской службой академических обменов (DAAD) выделен грант в рамках программы «Михаил Ломоносов II», согласно которому продолжение исследований будет проводиться в Дрезденском техническом университете в 20112012 гг.
Публикации. Материалы диссертации опубликованы в 14 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 и приложений. Общий объем работы 178 с. Диссертационная работа содержит 41 рисунков, 53 таблицы (включая 42 таблицы приложений). Список литературы содержит 174 источника.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении сформулированы актуальность темы диссертации, 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 влияние технологии лесосечных работ и методики трассирования трелевочных волоков на маневрирование трелевочных тракторов, исследования управляемости и устойчивости заданного направления движения трелевочных тракторов, показатели и характеристики оценки почвогрунтов, оценку воздействия лесозаготовительных машин на лесные почвогрунты, лесоводственные аспекты воздействия лесозаготовительных машин на лесные почвогрунты.
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, Э.Ф. Герц, П.Б. Рябухин, О.Н. Бурмистрова, Ю.А. Ширнин, И.В. Григорьев, А.В. Жуков, И.К. Иевень, В.А. Иванов, В.М. Котиков, В.П. Немцов, В.П. Корпачев, В.Н. Андреев, Ю.Ю. Герасимов, Ю.А. Добрынин, М.Н. Лясько, И.М. Бартеньев, А.И. Жукова, ученые МГУЛ, СПбГЛТА, ВГЛТА, УГЛТУ, ПетрГУ, САФУ, БрГУ, 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 почвогрунта, 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 почвогрунта в боковых полосах трелевочного волока с учетом поворотов трелевочной системы, вместе с тем, плотность почвогрунта, в полосах примыкающих к трелевочному волоку, является весьма значимым фактором для развития следующих поколений деревьев.
На основании анализа исследования сформулированы выводы и следующие задачи исследования:
- Разработать математическую модель уплотнения почво-грунта боковых полос трелевочного волока трелевочной системой, позволяющую оценивать уплотнение почво-грунта в зависимости от поворотов трелевочного трактора и его характеристик.
- Получить закономерности пространственного формирования касательных напряжений в боковых полосах трелевочного волока, в зависимости от угла поворота трелевочной системы.
- Получить закономерности распределения во времени касательных напряжений в боковых полосах трелевочного волока, в зависимости от угла поворота трелевочной системы.
- Разработать рекомендации для принятия организационно-технологических решений по схеме разработки лесосеки исходя из требований минимизации экологического ущерба.
- Экспериментальным путем исследовать влияние поворотов трелевочного трактора на уплотнение почвогрунта в боковых полосах трелевочного волока.
- Получить данные об адекватности разработанных математических моделей.
2. Математическое моделирование уплотнения почвогрунта в боковых полосах трелевочного волока с учетом изменчивости трассы движения
При исследовании процессов деформации и уплотнения почвогрунта под воздействием движителей машин трелевочных систем (ТС) широкое распространение получили одномерные модели о вдавливании штампа. Ранее выполненные исследования объемной модели деформирования грунта в главных напряжениях направлены на минимизацию вредного воздействия техники на почву при многократном проходе ТС, обусловленном требованием движения по заранее намеченным трассам волоков.
Однако в процессе трелевки точно выдержать заданное направление движения не представляется возможным, и трактор вынужден неоднократно совершать поворотные движения. В этом случае грунт находится в объемном напряженно-деформированном состоянии и напряжения возникают на произвольных, в общем случае, не главных площадках, что обусловливает возникновение дополнительных касательных напряжений в направлении, перпендикулярном действию нормальной нагрузки.
Рассмотрим (рис. 1) действие на грунт сосредоточенной силы Q=G+Q1, где G – вес трактора, Q1 – вес пачки, размещенной на тракторе. Процесс деформирования происходит в пространственной декартовой системе координат xyz, оси которой принимаются главными, а на элементарных площадках массива действуют соответствующие главные напряжения 1=z, 2=y, 3=x, тогда как касательные напряжения отсутствуют.
Рис. 1. Схема объемного напряженного состояния грунта при повороте штампа
В процессе погружения движителя (штампа) на глубину h происходит уплотнение грунта, который испытывает действие вертикальной нагрузки q. Поскольку к штампу кроме вертикальной силы Q приложена касательная (горизонтальная) сила Т тяги трактора, то возникает деформация грунта в направлении действия этой силы. Следствием этого является формирование горизонтальной нагрузки с, характеризующей величину удельного сопротивления грунта срезу. В момент маневра трактора и отклонения ТС от заданного направления движения на угол, деформирование грунта целесообразно рассмотреть в цилиндрической системе координат zr. Компоненты тензора напряжений в этой системе в общем случае при наличии касательных напряжений r, совпадающих по направлению с действием нагрузки с, определяются соотношениями:
(1)
Из соотношений (1) следует, в частности, что при =0 компоненты тензора напряжений являются главными, т.е. имеем: z=1, r=2, =3, r=0, и будут определяться соотношениями:
z = 
(2 а),
r = 
(2 б),
= 
(2 в),
где – коэффициент бокового расширения (коэффициент Пуассона).
Из анализа соотношений (2 а)(2в) можно заключить, что если среда абсолютно несжимаема (=0,5), то уравнения, определяющие напряжения в вязко-упругой среде, трансформируются в уравнения чистой упругости. Для трелевки лесоматериалов, такое состояние почвы характерно для весенних и осенних периодов, когда почва является чрезмерно увлажненной и глубина ее слоев в таком состоянии достигает 0,5 м.
На рис. 2 при исходных данных Q=G+Q1=150+40=190 кН и =0,35 и трех значениях угла поворота представлены зависимости величины r от координаты r, характеризующей величину удаления элемента массива от штампа. Как видно из рис. 2, для всех трех значений углового параметра отрицательный показатель степени в экспоненциальной функции обусловливает достаточно интенсивное снижение касательных напряжений в массиве грунта с ростом величины r, т.е. по мере удаления от трассы волока.
При r0, т.е. рассматривая в одномерной постановке процесс деформирования грунта в непосредственной близости от штампа, снижение вертикальных напряжений z подчиняется степенному закону и происходит пропорционально величине 
. В этом случае связь z с величиной нормальной нагрузки q описывается с помощью зависимости:
, (3)
где a, D – параметры штампа.
Из следует (3), что при z=0 z =q.
Под действием давления q по мере погружения штампа на глубину h происходит деформация близлежащего элементарного слоя грунта. В этом случае вертикальную координату z целесообразно ограничить в пределах от 0 до H-h, где H размер зоны распространения деформаций, т.е. удаленность твердого недеформируемого основания почвы от свободной поверхности. Тем самым в предлагаемой модели используем подвижную цилиндрическую систему координат с перемещением центра системы (точка приложения силы Q) вглубь массива по мере погружения штампа.
Рис. 2. Изменение величины касательного напряжения по мере удаления от направления волока и роста угла поворота ТС:
1 =5 (у=35,632е-4,2291х R2=0,9195); 2 =10 (у=70,992е-4,2291х R2=0,9195); 3 =15 (у=105,81е-4,2291х R2=0,9195)
Величина нагрузки q при вдавливании штампа шириной b на глубину h с учетом вертикального давления в боковых полосах, удаленных на расстоянии r от направления волока, согласно ранее выполненным исследованиям, может быть определена в виде:
, (4)
где: Е – модуль деформации, 
коэффициент, учитывающий увеличение общей деформации грунта при погружении ядра уплотнения, – угол внутреннего трения, 
параметр штампа, определяемый через величины a и D: 
, D – диаметр круга, равновеликий площади F грунтозацепа, k(r, h) безразмерная функция, учитывающая снижение напряжений на глубине зоны деформаций h по мере удаления расчетной точки от границы волока.
Величина удельного сопротивления грунта срезу с связана с вертикальной нагрузкой q обобщенным уравнением Кулона:
, (5)
где: С0 – внутреннее сцепление грунта.
На рис. 3 при исходных данных: Е=400 кПа, = 0,35, С0=12 кПа, =15°, b=0,08 м, F=0,04 м2; H=0,5 м представлены зависимости с(r) для трех состояний погружения штампа: h=0,05; 0,13 и 0,25 м. Величина h=0,13 м соответствует глубине грунтозацепа ld. Как следует из анализа данных рис. 3, с ростом глубины погружения грунтозацепа от 0,05 до 0,13 м, т.е. на его полную глубину ld, угловой коэффициент в уравнении прямых, характеризующий интенсивность снижения нагрузки, пропорционально увеличивается по модулю с 4,96 до 12,53. При дальнейшем погружении движителя пропорциональность не выполняется, что свидетельствует о проявлении нелинейных процессов деформирования грунта под действием вертикальных и соответствующих горизонтальных нагрузок.
Суммируя величину с с величиной касательного напряжения r, получим некоторую результирующую нагрузку на грунт, действующую в элементарном слое на глубине h в направлении, перпендикулярном действию нормальной нагрузки q. Тогда величину приведенного давления интегральную характеристику внешней нагрузки на грунт можно определить как 
.
На рис. 4 для трех значений углового параметра =5, 10 и 15°. при значении r=0,05 м (в непосредственной близости от границы волока) представлены зависимости 
. Как видно из рис. 4, графики функций 
являются эквидистантными кривыми, т.е. кривыми, равноудаленными друг от друга. Это свидетельствует о качественной однородности процесса увеличения нагрузки на грунт при различных значениях угла поворота трелевочного трактора, однако наблюдаемые количественные отличия обусловлены дополнительными касательными напряжениями. Согласно результатам исследований Г.М. Анисимова и Б.М. Большакова процесс уплотнения под действием приведенного давления 
при циклических нагрузках, когда трелевочный трактор проходит N раз по одному и тому же участку трассы, оценивается с помощью соотношения:
, (6)
где 
относительная плотность: 
, 0=850 кг/м3 – начальная плотность почвы, – эмпирический коэффициент интенсивности накопления необратимой деформации почвы при повторных нагрузках; – эмпирический коэффициент, зависящий от размера и формы опорной поверхности.
Уплотнение 
соответствует фазе упругой деформации 1=
-1, когда осуществляется процесс активного формирования ядра уплотнения.
Вязкопластическая деформация грунта 2 характеризует вторую фазу процесса уплотнения, когда сила сопротивления уплотнению соизмерима с силой сопротивления сдвигу.
Величина уплотнения 
определялась с использованием двухэлементной модели Фойгта нагружения грунта, в соответствии с результатами исследований И.В. Григорьева, В.Я. Шапиро, А.И. Жуковой, после чего соответствующая этой фазе деформация принималась как 2 =
-1.
Рис. 3. Зависимость величины горизонтального давления от расстояния удаления от трассы волока: 1 h=0,05 (у=-4,9571х+17,129 R2=0,9616);
2 h=0,13 (у=-12,531х+25,006 R2=0,9612); 3 h=0,25 (у=-31,307х+37,521 R2=0,9674)
Рис. 4. Зависимости приведенного давления от величины погружения грунтозацепа:
1 =5 (у=28,594ln(x)+200,94 R2=0,9417); 2 =10 (у=31,702ln(x)+176,48 R2=0,9381);
3 =15 (у=36,864ln(x)+157,48 R2=0,9464)
На рис. 5 представлены зависимости 1(N) и 2(N), анализ которых показывает, что по достижении определенного числа циклов (для данного примера расчета N6), вязкопластическая деформация 2 практически не увеличивается, тогда как упругая деформация 1 продолжает расти. В механике грунтов этому состоянию соответствует этап завершения процесса переупаковки грунта, а дальнейшее уплотнение возможно только с развитием упругих деформаций.
Особый интерес представляет абсцисса точки пересечения кривых 1 и 2 на рис. 5, которая соответствует значению N=8 и состоянию равенства 1=2. Можно считать, что при восьмикратном проходе ТС по одному и тому же волоку процесс уплотнения достиг предельного значения.
Рис. 5. Изменение деформаций с ростом числа циклов проходки:
1 упругая деформация, 1 (у=0,0433Ln(x)+0,1195 R2=0,9846);
2 вязкопластическая деформация, 2 (у=0,0386е0,2061х R2=0,9161).
Истинная деформация определяется как =1+2, после чего величину суммарного относительного уплотнения можно оценить в виде: 
.
Анализ изменения величины 
от N при погружении грунтозацепа на полную глубину (h=0,13 м) для трех значений углового параметра =0, 10 и 25° показал, что по достижении параметра N значений N7 графики выходят на свои асимптоты, т.е. дальнейшее уплотнение практически не происходит и можно полагать, что произошли необратимые структурные изменения элементов массива грунта и процесс его упаковки завершен.
Для фиксированных значений h=0,13 м и N=5 (процесс упаковки не завершен) был построен график двумерной функции 
. Анализ полученных данных свидетельствует о широком диапазоне изменения величины 
: от 1,28 (r=0,5м; =0°) до 1,67(r=0м; =25°), что обусловило необходимость детального исследования процесса уплотнения грунта в зависимости от изменения исходных параметров с целью его стабилизации в зонах, непосредственно прилегающих к границам волока.
Реализация разработанной математической модели в широком диапазоне изменений параметров h, r, N и, графическое отражение полученных результатов в виде аппроксимирующих линий трендов и адекватный подбор уравнений с величиной детерминации не ниже R2=0,93 позволили получить следующую многопараметрическую функцию для оценки величины относительного уплотнения грунта:
, (7)
где функциональные множители gi описываются уравнениями:
g1(h,r)=1+2,2hexp(-1,83r), g2(N)=1+0,0294N, g3()=1+0,0052.
С помощью формулы (7) при фиксированных значениях h=0,13м, двух значениях угла и четырех различных показателях параметра N были получены зависимости 
(r). Анализ показал, что их можно использовать в качестве номограмм для определения предельных размеров охранных зон rd, выдерживание которых минимизирует вредное воздействие ТС на корневую систему подроста.
В общем случае, величину rd можно выразить из (7) в виде:
. (8)
Для исходных данных h=ld =0,13 м, N=9 и 
=1,6 была получена линейная зависимость rd от угла. Аналогичные исследования были проведены при погружении движителя на глубину h=1,5ld =0,195 м и h=2ld =0,26 м, т.е. моделировались условия более глубокого погружения в колею волока. В результате было установлено, что угловые коэффициенты всех прямых практически совпадают, тогда как свободный член, т.е. величина rd при =0 зависит от 
: rd()=0,04+0,38(
-1). В итоге установлена зависимость величины rd от угла и параметра погружения грунтозацепа 
:
rd(, 
)=0,019+0,38(
-1)+0,04. (9)
Зависимость (9) показывает, что при прочих равных условиях более глубокое погружение движителя, характерное для трелевки по более мягким грунтам, в сочетании с ростом углов поворота трактора обусловливают необходимость соответствующего существенного увеличения размеров охранных зон. Если первый фактор – состояние грунта не поддается корректировке, то второй фактор – угловой в значительной мере зависит от квалификации оператора, подготовки волока и грамотно выбранной схемы расположения трелевочных волоков и технологии разработки лесосеки.
Понятно, что точно выдержать направление движения трактора не представляется возможным и наиболее вариативным параметром является именно угол и его вариация обусловит соответствующее изменение величин 
и rd. В этой связи была поставлена и решена следующая задача стохастического моделирования (с помощью метода Монте-Карло) зависимости величины rd от отклонения углового параметра.
С помощью программы выработки случайных чисел i, i=1,…n, нормально распределенных в интервале (-1, 1) с нулевым математическим ожиданием и единичной дисперсией, определялось n значений угла :
i= M0()+ i 0(), i=1,2,….,n (10)
где M0() и 0() математическое ожидание и среднее квадратичное отклонение (СКО) угла.
Коэффициент вариации v()=0()/M0() принимается в качестве обобщенной характеристики изменчивости углового параметра. Полученные значения углов i использовались в (8) для определения выборки из n значений размеров зоны rd и ее математического ожидания М(rd).
Рис. 6. Границы диапазона М(rd) в зависимости от v():
1 минимальные допустимые границы диапазона изменения величины М(rd) от коэффициента вариации v(); 2 максимальные допустимые границы диапазона изменения величины М(rd) от коэффициента вариации v()
На рис. 6 при исходных данных: h=0,13; N7 и 
=1,6 получены зависимости, определяющие минимальные и максимальные допустимые границы диапазона изменения величины М(rd) от коэффициента вариации v(). Как следует из рис. 9, область допустимых значений величины М(rd) расширяется с ростом величины v(), т.е. в условиях изменчивости границ волока и необходимости маневров трактора проблема стабилизации параметров процесса уплотнения почвы является достаточно значимой.
В инженерных расчетах статистически значимые выборки соответствуют значениям v()0,3. Для данного примера расчета, как следует из рис. 9, допустимый диапазон изменения величины М(rd) составляет от 0,22 до 0,37 м и в среднем составляет 0,3 м.
Полученные на первом этапе стохастического моделирования результаты основывались на предположении, что величина СКО 0() является функцией одного аргумента угла. Но, рассматривая процесс циклического уплотнения почвы, необходимо принять во внимание, что по мере увеличения циклов прохода ТС по одному и тому же волоку происходит углубление колеи и, как следствие, снижение абсолютных значений СКО угла. Полагая, что указанная величина СКО является в общем случае функцией двух переменных ( и N), обоснуем вид функции СКО (, N).
В исследованиях М.В. Цыгаровой опытным путем установлена экспоненциальная связь между приростом глубины колеи h и параметра N:
h=exp(k1+k2 N), (11)
где k1и k2 эмпирические коэффициенты.
Выполненные в рамках разработанной модели исследования по изменению относительной деформации с ростом числа N позволили с достаточной степенью точности (не менее R2=0,86) получить соотношение:
= exp(-N), (12)
где коэффициенты и зависят от величины нагрузки Q, параметров штампа и физико-механических свойств грунта.
Для данного примера расчета зависимость (12) имеет вид:
=0,1106 exp(-0,2241N). (13)
Допуская, что с ростом N снижение СКО углового параметра напрямую определяется снижением относительной деформации при уплотнении почвы в границах колеи, предложена зависимость для оценки функции (, N):
(, N)=0() exp(-0,2241N). (14)
Используя соотношение (14) в сочетании со схемой (10) по выработке угловых значений i при последующих расчетах относительного уплотнения с помощью (7), представляется возможным получить выборки соответствующих значений величины 
, i=1,…,n.
В итоге, после обработки полученных выборок, устанавливаются: математическое ожидание М(
) и СКО (
), позволяющие определить границы допустимого диапазона изменения величины 
:
max=М(
)+(
), 
min=М(
)-(
). (15)
Анализ полученных результатов показал, что по мере роста параметра N диапазон изменения величины 
сужается, что обусловлено механическими деформациями грунта и развитием процесса его упаковки. Иными словами, относительные значения СКО 
имеют тенденцию к снижению с ростом параметра N. Этот вывод иллюстрируют данные рис. 7, где наблюдается (рис. 7 а) достаточно существенное относительное снижение величины СКО 
(
) с ростом величины N. Как следует из данных рис. 7 б, в результате линеаризации кривой 
(
) с помощью логарифмических координат представляется возможным установить точку пересечения прямых, которая отражает в исходных координатах точку сопряжения ниспадающей и асимптотической ветвей кривой 
(
). Первая ветвь характеризует стадию интенсивного развития процесса уплотнения, а вторая – его затухание и приближение к определенному предельному значению.
Наряду с оценками воздействия движителя на процесс уплотнения грунта представляет интерес дополнить его особенностями воздействия пачки лесоматериалов с учетом возможного поворота трелевочной системы и возникающих давлений на боковую поверхность волока. Основываясь на результатах исследований И.В. Григорьева, по уплотняющему воздействию волочащейся части пачки лесоматериалов на волок, расчетная схема с погружением комлевой части хлыста в почву, была дополненная учетом возможного поворота трелевочной системы на угол.
Рис. 7. Влияние параметра N на величину СКО 
: 1 стадия интенсивного развития процесса уплотнения; 2 – затухание процесса уплотнения
Величина погружения комлевой части пачки в боковом направлении в рамках принятой расчетной модели с учетом коэффициента бокового распора кб=/(1-) может быть определена по формуле:
, (16)
где А и n параметры грунта в зависимости (2.4), представленной в известной степенной форме q=Ahn; L длина хлыста; Q2 –вес хлыста; hо высота подъема пачки; =1, 2, 3 – параметр синусоиды в зависимости 
c текущей координатой х по длине хлыста; rt условный радиус комля, определяемый на основании таксационных зависимостей как rt=
, где K – коэффициент, учитывающий форму ствола (для сосны – 0,45; ели – 0,50; березы – 0,40; осины – 0,41).
Расчет величины по формуле (16) произведен при трелевке хлыстов сосны и следующих значениях входящих параметров: Q2=20 кН; А=0,1 м.е.; n=0,7; =0,35; d=0,18 м; rt=0,19 м; =1; L=8 м; ho=1,7 м. В результате расчетов получено значение =0,125 м. Тогда максимальная плотность max почвы в пределах боковой поверхности волока определим как:
max=о(1+ /Н), (17)
где Н – глубина зоны распространения деформаций, м.
При Н=0,38 м (грунты достаточно низкой несущей способности) величина max составила 1,33 о, т.е. величина относительно уплотнения 
=1,33 боковой поверхности волока достигает величины, соизмеримой со значением вертикального уплотнения 
после второго цикла прохода трелевочной системы при угле ее поворота на =0,25°.
3. Методика и аппаратура экспериментальных исследований. Для проверки адекватности теоретических положений были проведены экспериментальные лабораторные исследования, в ходе которых использовался почвогрунт, отобранный с опытного участка Лисинского УОЛХ СПбГЛТА. Исходная плотность составляла 0=750-850 кг/м3, которую принимали в качестве начальной плотности почвы.
Для формирования образцов и придания грунту разной плотности использовался прибор стандартного уплотнения и с его помощью создавались опытные образцы трех категорий плотности: I =1,351,45, II =1,451,55 и III =1,551,65 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 данного почвогрунта Wпл=12 и в дальнейшем он был классифицирован по влажности с выделением трех категорий сухой, влажный и переувлажненный.
На первом этапе осуществлялась проверка обобщенного закона Кулона, описываемого линейным уравнением (5). Сопротивление грунта сдвигу (срезу) и соответствующая величина с определялась по ГОСТ 12248–78 на сдвиговом приборе в зависимости от величины вертикальной нагрузки q. Для каждой серии экспериментов отбирались 68 образцов и усредненные характеристики с коэффициентом вариации не более 10% использовались для графического представления.
На втором этапе осуществлялась проверка методического положения о том, что компоненты обобщенной сдвиговой () и нормальной (q) нагрузки, отвечающие за достижение приведенного давления 
, могут быть связаны через механизм бокового расширения грунта, в виде соотношения: 
. С этой целью был поставлен эксперимент с использованием метрологически поверенного электронного динамометра сжатия ДОС-3-И, включающего тензодатчик 101ВН и индикаторный терминал R320 с обработкой результатов с помощью специального программного обеспечения и ретрансляцией данных в приложениях Excel.
В ходе эксперимента фиксировались: а) эпюры вертикальных напряжений в в зависимости от соответствующих относительных деформаций в образцов с получением зависимостей в=f(в); б) предельная нагрузка q, при которой образец разрушался и соответствующие этому значению предельных величин относительной вертикальной в и боковой б деформаций; в) в силу однородности и изотропности материала используемых образцов определяется =f(б), которая сравнивается с величиной вертикальной нагрузки q.
По достижении напряжений предельной разрушающей величины q=0,071 МПа установлены значения относительных деформаций в=0,034 и б=0,022, после чего с помощью полученной зависимости 
была установлена величина =0,044 МПа. Таким образом, отношение /q=0,62, что соответствует значению коэффициента Пуассона =0,38.
На третьем этапе опытных работ оценивалось влияние цикличности вертикальных нагрузок на процесс уплотнения грунта. В качестве постоянной (фиксированной) принималась нагрузка, равная 7080% от предельной разрушающей нагрузки q. Принимая во внимание, что диапазон изменения плотности образцов (=1,371,65 т/м3) в 1,82 раза превышает начальную плотность 0=0,750,85 т/м3, были приняты следующие допущения: основная фаза уплотнения грунта реализована в процессе формирования образцов и в ходе циклической нагрузки восстановленная (упругая) деформация 1 суммируется с остаточной (вязкопластической) деформацией 2, после чего определяют истинную деформацию =1+2 и величину относительного уплотнения 
.
4. Результаты экспериментальных исследований. Полученные линейные зависимости с(q) для сухих образцов (W=20%) первой и второй категорий плотности, показали, что угловой коэффициент в уравнении Кулона tg=0,450,55, что соответствует диапазону изменения угла внутреннего трения грунта =0,250,3.
Свободные члены в полученных корреляционных уравнений могут служить характеристикой сцепления грунта Со. Они показали, что с ростом плотности среды величина Со существенно возрастает. Опыты для влажных образцов с ростом величины W до 35% показали, что параметры линейной зависимости имеют тенденцию к снижению. Так, в этом случае для группы образцов со средней плотностью =1,55 т/м3 обобщенная зависимость имеет вид: с=0,35q+0,0567 (R2=0,9932). Полученные данные с высокой степенью точности (коэффициент детерминации R2 во всех экспериментах превышает 0,9) подтверждают правомерность принятого в математической модели закона Кулона для описания связи сдвиговых и нормальных нагрузок. Полученные данные свидетельствуют об удовлетворительном качественном совпадении теоретических и опытных результатов в процессе изучения на образцах закономерностей уплотнения грунта под воздействием циклических нагрузок.
Полученные результаты на образцах грунтов позволили спланировать эксперимент по изучению влияния угла поворота штампа на развитие касательных напряжений по мере удаления от направления волока. С этой целью площадь индикаторной части тензодатчика была уменьшена до s1=2,89 см2, а вес штампа увеличен до Q1=200 Н. Такие параметры нагружения грунта адекватны развитию начальных напряжений под штампом, равных 0,692 МПа, что соответствует принятым в теоретической модели начальным нагрузкам при Q=190 кН и площади штампа, равной s=0,24 м2, т.е. начальные напряжения составляют 0,79 МПа и отличаются от опытных значений не более, чем на 10%. Величина удаления (r1) от направления волока при опытных работах соотносилась с теоретической величиной r, исходя из подобия: отношение линейных размеров равно корню квадратному из отношения рабочих поверхностей. Оценивались два состояния: в непосредственной близости к штампу (r=0,25 м, т.е. r1=710мм) и в некотором удалении от него (r=0,45 м, т.е. r1=1417мм).
Полученные опытные данные после пересчета в напряжения были сопоставлены с расчетными значениями касательных напряжений r (рис. 2) при соответствующих значениях величины удаления от трассы волока: первое состояние r=0,25 м и второе состояние r=0,45 м.
Сравнительный анализ экспериментальных и теоретических данных показал, что расхождение опытных и расчетных данных не превышает 10%. Таким образом, выполненные лабораторные исследования подтверждают основные методические положения при реализации математической модели циклического уплотнения грунта при возможном повороте трелевочной системы и формировании при этом дополнительных касательных напряжений, усиливающих эффект уплотнения грунта в зоне, непосредственно прилегающей к трассе волока.
Полученные результаты дают основание использовать результаты математического моделирования при прогнозах развития процессов деформации грунта в боковых полосах волока с учетом возможных поворотов трелевочной системы.
Основные выводы и рекомендации:
- Угол поворота трелевочной системы оказывает существенное влияние на процесс циклического уплотнения грунта. При этом трелевка по мягким и податливым грунтам требует соответствующей корректировки размеров защитных зон в соответствии с установленными линейными зависимостями. Возникающие в боковых полосах трелевочного волока касательные напряжения при повороте трелевочной системы даже до 15° достигают 10% и более от начального вертикального давления трактора на почву.
- При повороте трелевочной системы на =25° на почвогрунтах низкой несущей способности величина относительного уплотнения почвогрунта боковой поверхности волока волочащейся комлевой частью пачки достигает
=1,33. Данное значение соизмеримо со значением вертикального уплотнения 
после второго цикла прохода трелевочной системы. - При повороте трелевочной системы от 0 до 25° величина дополнительного уплотнения почвогрунта в боковых полосах трелевочного волока составляет не менее 15% от основного, что необходимо учитывать при принятии организационно-технологических решений по схеме разработки лесосеки исходя из требований минимизации экологического ущерба.
- Время нагружения почвогрунта боковых полос трелевочного волока от касательных напряжений, возникающих при углах поворота трелевочной системы от 0 до 45°, соизмеримо со временем разгрузки, что позволяет производить оценку влияния цикличности нагружения на уплотнение почвогрунта лесосеки от поворотов трелевочного трактора.
- Сравнительный анализ экспериментальных и теоретических данных показал, что расхождение опытных и расчетных данных не превышает 10%. Таким образом, выполненные лабораторные исследования подтверждают основные методические положения при реализации математической модели циклического уплотнения грунта при возможном повороте трелевочной системы и формировании при этом дополнительных касательных напряжений, усиливающих эффект уплотнения грунта в зоне, непосредственно прилегающей к трассе волока.
- При составлении технологической карты на разработку лесосеки следует учитывать, что места частых поворотов трелевочного трактора, например, места примыкания пасечных волоков к магистральному, следует по возможности отделять от мест куртинного расположения подроста главных пород и оставляемых на доращивание деревьев, особенно с поверхностной корневой системой, не менее чем на 3 метра.
- При больших запасах леса на пасеке наиболее предпочтительными будут схемы разработки лесосек уменьшающие необходимое число поворотов трактора или лесозаготовительной машины, например, схема с широким фронтом отгрузки, или с трелевкой на два уса лесовозной дороги.
Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:
- Лепилин Д.В. Исследование параметров процесса уплотнения почвогрунта в боковых полосах трелевочного волока с учетом поворотов трелевочной системы. «Технология и оборудование лесопромышленного комплекса» Межвузовский сборник научных трудов. Выпуск 5. СПб.: ЛТА 2010 г. С. 5260.
- Шапиро В.Я., Григорьев И.В., Лепилин Д.В., Жукова А.И. Моделирование уплотнения почвогрунта в боковых полосах трелевочного волока с учетом изменчивости трассы движения. Ученые записки Петрозаводского государственного университета. Серия: Естественные и технические науки. 2010. № 6, C. 61-64. (доля участия 35%)
- Жукова А.И., Цыгарова М.В., Лепилин Д.В., Свойкин Ф.В. Математическая модель деформации почвы при повороте трактора // Известия СПбГЛТА. 2011. № 195, С. 120-128. (доля участия 35%)
- Григорьев И.В., Жукова А.И., Цыгарова М.В., Лепилин Д.В. Планирование эксперимента при исследовании взаимодействия трелевочной системы с волоком // Вестник Марийского государственного технического университета. Серия: Лес. Экология. Природопользование. 2011. № 2, С. 3643. (доля участия 30%)
- Григорьев И.В., Лепилин Д.В., Барашков И.А. Обоснование расчетных схем при теоретических исследованиях динамического уплотнения почвогрунта трелевочной системой // «Технология и оборудование лесопромышленного комплекса» Межвузовский сборник научных трудов. Выпуск 1. СПб.: ЛТА 2008 г. С. 1120. (доля участия 40%)
- Григорьев И.В., Жукова А.И., Беленький Ю.И., Лепилин Д.В. Экспериментальные исследования эксплуатационной и экологической эффективности колесных трелевочных тракторов // «Технология и оборудование лесопромышленного комплекса» Межвузовский сборник научных трудов. Выпуск 1. СПб.: ЛТА 2008 г. С. 2231. (доля участия 30%)
- Шапиро В.Я., Григорьев И.В, Жукова А.И., Лепилин Д.В. Анализ динамического нагружения почвогрунта от трелевочных систем на базе колесных тракторов // Материалы научно-методического семинара «Сухопутный транспорт леса». СПб.: ЛТА. 2007. С. 77-89. (доля участия 25%)
- Жукова А.И., Лепилин Д.В. Сохранение лесорастительных свойств лесных почв при проведении рубок леса // Политехнический симпозиум «молодые ученые – промышленности Северо-Западного региона». Материалы конференции «Экспериментальные и теоретические исследования в области инженерных наук» СПб.: ГПУ 2008 г. С. 7677. (доля участия 50%)
- 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. (доля участия 40%)
- Вовченко Н.Д, Лепилин Д.В., Барашков И.А. Сравнительный анализ эффективности ручных приборов для определения плотности почвы / «Технология и оборудование лесопромышленного комплекса» Межвузовский сборник научных трудов. Выпуск 4. СПб.: ЛТА 2009 г. С. 5761. (доля участия 35%)
- Григорьев И.В., Жукова А.И., Лепилин Д.В. Пути повышения эффективности сплошных рубок / Материалы первой международной научно-практической Интернет конференции «Леса России в XXI веке». СПб.: ЛТА, 2009. С. 169173. (доля участия 35%)
- Тихонов И.И., Григорьев И.В., Жукова А.И., Лепилин Д.В., Иванов В.А. Устройство учета веса лесоматериалов при проведении погрузочно-разгрузочных работ. Патент на полезную модель № 84771 опубл. 20.04.2009 Бюлл. № 20.
- Тихонов И.И., Григорьев И.В., Жукова А.И., Лепилин Д.В., Иванов А.В. Устройство учета веса лесоматериалов при проведении транспортных работ. Патент на полезную модель № 86135 опубл. 27.08.2009 Бюлл. № 24.
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.
