Технико-экологическая оценка гусеничных лесных машин

ТЕХНИКО-ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА ГУСЕНИЧНЫХ ЛЕСНЫХ

МАШИН

Лобанов В.Н., Кривченкова Г.Н., Артемов А.В.

The mathematical equations which let determine quantity of deformation of soil and its density after machine's passage were obtained.

Задача по снижению отрицательных последствий от воздействия лесных машин на почву превратилась в сложную и важную проблему экологического характера.

Лесосечные и лесохозяйственные машины нуждаются в объективной оценке по их воздействию на окружающую среду, включая лесные почво-грунты. Эта оценка должна способствовать созданию экологически безопасных гусеничных ходовых систем, в наибольшей степени соответствующих лесотехническим требованиям.

До настоящего времени не разработаны научно-обоснованные методы и показатели для прогнозирования экологических последствий техногенных и трансграничных воздействий на лесную почву с учетом ее свойств, условий производственной эксплуатации, рельефа местности, технологии работ и режимов движения машин. Современные лесные машины не в полной мере соответствуют существующим лесотехническим требованиям, а сами эти требования нуждаются в пересмотре с учетом региональных условий и, в особенности, для территорий, подвергшихся радиационному загрязнению. Экологические последствия воздействия ходовых систем на почвенно-растительный покров изучаются лишь фрагментарно. Опорные элементы движителя должны обладать качествами, при которых формирование ядра уплотнения грунта и его нагружение обеспечивают рациональное использование сцепных и фрикционных характеристик почво-грунта. Отсутствие показателей для оценки экологической безопасности приводит, в частности, к неоправданному применению тяжелых и энергонасыщенных машин.

В связи с этим возрастают негативные пагубные последствия от воздействия движителей машин на почвенно-растительный покров.

Анализ результатов исследований взаимодействия гусеничных движителей лесных машин с почвой показывает, что отрицательный эффект заключается в ее чрезмерном уплотнении. Плотность почвы является наиболее существенной характеристикой, определяющей ее свойства [1, 2].

Если почва не уплотнена, то корневые ходы, трещины и другие внутрипоч-венные полостные образования способствуют усиленному развитию корней и обеспечивают их прирост.

Распространенный на территории Брянской области песчано-суглинистый

-5

почво-грунт в обычном состоянии имеет плотность 0,95...1,20 г/см . Он может значительно уплотняться под нагрузкой. При этом уплотнение почвы отрицательно влияет на развитие мелких корней деревьев, концентрация которых в

л

верхнем (гумусном) слое 300-500 м/м . Мелкими являются корни, диаметр которых меньше 10 мм. Количество таких корней составляет более 93% от всей корневой системы, а зона их распространения вокруг ствола достаточно обширна.

Если у 20-летнего дерева радиус корневой системы равен в среднем 1,7 м, то у 40-летнего дерева он составляет около 3 м, а в 60 лет - уже более 4 м. Еще более значительные изменения физических свойств отмечаются у торфов и торфяноге-

-5

левых почв, плотность которых не превышает 0,2 г/см .

Установлено, что статическое давление машины на почву более 60 кПа препятствует развитию мелких корней, а при давлении на почву 30-50 кПа их рост может быть затруднен [3, 4]. Пиковое давление под опорными катками на почву, равное 90 кПа, уменьшает прирост молодняка на 15% в течение 3-4 лет после воздействия. Лабораторными исследованиями доказано, что в уплотненной почве мелкие всасывающие корешки растений резко замедляют свой рост и развитие

[4].

Проход машины вблизи растущего дерева, вызывающий под движителем пиковое давление на почву более 60-90 кПа, приводит к снижению степени роста дерева из-за повреждения мелких корней. При этом, чем ближе машина проходит к дереву, тем количество уплотненных корешков выше. Следовательно, сдавливание почвы, насыщенной разветвленной мелкой корневой системой, оказывается крайне нежелательным.

Вследствие уплотнения почвы уменьшается объем пор, из-за чего сильно меняется воздушно-водный режим, что также ухудшает физиологическое функционирование корневых систем растений, оказывает отрицательное влияние на водный баланс [3].

На влажных почвах машины, особенно при многократных проходах по волоку, могут нарезать глубокую колею. В ней застаивается вода, вызывая амелиорацию отдельных лесных участков.

Использование мощной техники на лесозаготовках, может вызвать длительные отрицательные воздействия на лесные участки. Исследованиями установлено, что на участках интенсивного использования гусеничных машин почва остается уплотненной в течение 16-40 лет. Замеры, проведенные через 16 лет после работы машин, показывают, что почва уплотнена на 9-18% больше, чем на неповрежденных участках [2, 3, 4].

Изложенное выше показывает, что наибольшую опасность для корневой системы растений представляет уплотнение почвы под движителями машин, т.е. ее деформация с образованием колеи под действием нагрузки от машины.

В общем случае, требования к экологичности движителя можно сформулировать как сравнительную характеристику, включающую в себя глубину колеи, плотность грунта после прохода машины, буксование, сдвиг грунта при повороте, наличие выступающих и врезающихся в грунт частей гусеницы.

Достичь безопасного для растений и почвы давления можно, изменяя размеры опорной поверхности движителя. Полученное в процессе исследований [3] уравнение позволяет определить влияние на величину деформации почво-грунтов И параметров движителя (Ь, Ь) и неравномерность распределения давления по опорной поверхности гусеницы (дтах).

к =

х

2хЬ -р

Еп

1

аг

х

4--м (х -1)2 М

4- -м2( х -1)2

V м

^хЬ , 1Ч

2--+ м

Н

Яшах Я: Я: Яшах

2

где - предел несущей способности почвогрунта, Н/м ; qmax - максимальное

Л

давление гусеницы на почвогрунт, Н/м ; р - коэффициент, характеризующий боковое расширение грунта; м - коэффициент Пуассона для грунтов; Н - толщина деформируемого слоя почвогрунта (Н=2Ь), м; E0 - модуль деформации почвогрунта при отсутствии сдвигов, Н/м2; х - отношение опорной длины гусеничного движителя L к ширине гусеницы Ь.

Максимальное давление в пиках под катками qmax определяются по формуле:

(3^ + 7С[)п - (^ -1)[3 + (4 + С{)(п -1)]

2

а

5п -

где

с, =

1+

я:

(я,+,)•

V

а -1

г

a - шаг катков, м; t - шаг гусеницы, м; п - число опорных катков на одном борту машины.

Для определения плотности лесной почвы в следе после прохода машины воспользуемся известной формулой связи глубины погружения деформатора в почву с изменением её плотности [5]:

h РК -Ро

H

Ро

где р0 - плотность естественного сложения лесной почвы до приложения

-5

нагрузки, г/м ; рк - конечная плотность почвы после её деформации гусеничным

-5

движителем, г/м .

С учетом выражений (1) получим уравнение для определения плотности почвы-грунта в следе после прохода гусеничной машины:

Л

Рк =Р0

1 + —

V HJ,

Заключение

Предлагаемые математические формулы (1, 2, 3) взаимодействия гусеничного движителя с лесной почвой позволяют управлять и прогнозировать ее деформацию и плотность от лесных машин в зависимости от свойств почвы и параметров движителя.

Литература

1. Лобанов В.Н. Прогнозирование уплотняющего воздействия гусеничных лесных машин на слабую почву// Экологические проблемы на рубеже 3 -го тысячелетия и пути их решения, ч.2. - Брянск: 1999. -С. 519-521.

2. Ермичев В.А., Лобанов В.Н., Горемыкин А.С. Сравнительный анализ гусеничных движителей по степени их воздействия на почву. Сб. научн. трудов «Актуальные проблемы лесного комплекса», вып. 4 - Брянск: БГИТА, 2001. -С.125-126.

3. Лобанов В.Н., Горемыкин А.С., Лазарев И.В. Воздействие трелевочных машин на лесные почвы. В кн. «Вклад ученых и специалистов в национальную экономику». - Брянск: БГИТА, 2002. -С. 221-223.

4. Герасимов Ю.Ю., Сюнев В.С. Экологическая оптимизация технологических процессов и машин для лесозаготовок /Йоэнсуу: Изд-во университета Йоэнсуу, 1998. - 178 с.

5. Григорьев И.В. Влияние способа трелевки на эксплуатационную эффективность трелевочного трактора. Авт.реф. канд. дисс., 2000.