Исследование влияния параметров грунта на критерий оценки экологического взаимодействия в системе "местность-машина"

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ПАРАМЕТРОВ ГРУНТА НА КРИТЕРИЙ ОЦЕНКИ ЭКОЛОГИЧЕСКОГО ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ В СИСТЕМЕ

"МЕСТНОСТЬ-МАШИНА"

Дроздовский Г.П.

Change of density is investigated in view of thickness of the deformed layer under a caterpillar (track) of a tractor and the level of bearing (carrying) ability of a ground in these conditions is defined. The variation of criterion of ecological interaction is defined (determined) in view of change of these parameters and uniformity of distribution of specific pressure on length of a basic surface of a caterpillar (track).

Принципиально новый критерий Кэ оценки экологического взаимодействия лесных машин с деформируемой поверхностью [1,2] в виде Кэ = (№0 • s~l по параметрам конечных экологических повреждений поверхности в виде глубины колеи h и буксования S% = f ((КРО) был рассмотрен в общем виде при постоянных значениях несущей способности грунта qs, независимо от консистенции грунта ВК при вариации толщины деформируемого слоя НГ. Также не учитывались - изменение параметров деформатора (гусеницы) X, F, вариация удельного давления q по длине опорной поверхности в различных режимах технологического использования (рассматривался коэффициент неравномерности распределения q, КН = 1,0). Наибольший интерес и сложность представляет вариация qs = f (Hr) при различных параметрах поверхности и де-форматора, образующих неголономную систему с нелинейными процессами взаимодействия и деформации поверхности. В процессе исследований из широкой гаммы видов деформируемых поверхностей лесосек рассмотрен суглинистый грунт в конгломерате с почвой (наличие до 20% растительных компонентов - торф, гумус и др.), составляющих основу 60 - 80% слабонесущих поверхностей лесосек 3 и 4 категорий. Влияние влажности W% учитывалось по коэффициенту консистенции ВК: текучепластичное состояние поверхности (ВКср=0,875; ср = 80), пластичное (ВКср=0,625; ( = 150), тугопластичное (ВКср=0,375;

-5

Ф = 250) при средней начальной плотности грунта pQ = 1200 кг/м .

При рассмотрении зависимости qs= f (НГ) учтены рекомендации исследований [3, 4] из теории несущей способности грунтов при воздействии ленточного деформатора (l>b), в нашем случае - гусеницы. Решающими факторами формирования уровня qs являются плотность грунта р = f (Нг, q, a/F), угол

внутреннего трения = f (BK), коэффициент сцепления грунта Со, модуль общей деформации E = f (ц, a,s) и параметры деформатора (x, b,\[F ).В общем виде вариация значения несущей способности грунта при воздействии на него ленточного деформатора определяется зависимостью

qs=f( р;( a\Si\q;s; Ь;л F; Н г ),

л

где Ь - ширина деформатора(м); F= I  Ь - площадь, (м );е -начальная пористость грунта; а - коэффициент сжимаемости грунта, (МПа-1);е - модуль осадки (е = И  Я-), где к - глубина осадки деформатора, (м).

Для суглинка [4], при д=0,05-0,2

а = д2 - 1,3д + 0,61 (МПа) и ех = 0,43д2 - 0,52д + 0,866.

Для частного случая КН=1,0 (равномерное распределение q по длине I ленточного деформатора) определена новая зависимость при НГ = 0,5-20(м) вариации плотности р = f (Я Г, д, Г, а, е1) в виде:

РНг= Р0(1 + А), А = 1 - 1п Нг[1 - д  а л/Г (е +1)-1 ] .

Для параметров рассматриваемых лесных тракторов ТДТ-55М (Ь = 0,42 м; q=0,063 МПа); ТТ-4М (Ь = 0,55 м; q = 0,052 МПа) и ТЛТ-100 (Ь = 0,64 м; q = 0,044 МПа) получены графические зависимости вариации р Нг = f (НГ), выраженные в виде корреляционных уравнений связи параметров соответственно:

ТДТ-55М: рн =-0,5 -103 Н\ + 2,38  103Н2 - 4,48 -103Нг + 5 403

г / м

ТТ-4М: рн =-0,4 -103 Нъг +1,87 -103 Н2Г - 3,5 • 103Нг + 4,4 -103

Г /ил

м

3-

ТЛТ-100: рН =-0,35-103Нъг +1,67403Н2Г -3,2-103Нг + 4,2 103

г / м

Интенсивность вариации рнг = f (Нг, д,—, Нг) соответствует закономер-

Ь Ь

ности изменения параметра Ющъ ленточного деформатора [4, с. 172, табл. 25], т.е. с увеличением НГ плотность уменьшается.

Для определения вариации qs=/(НГ, е, р, (0, со ) применена формула Агей-

кина Я.С. [3] с учетом к=е  Нг, при

(0 = 450 - 0,5(0, д = 9,81 м/сек2 ;р - кг/м3, С0 = кг/ 2 в виде:

м

qs = (SE •*• НГ + )-105(МПа),

где Sб = р- q(tg V)-1;

}в

QB = b -р-q • sin^0(4tq^0 • sin4 <^0)-1 + C0(tq^¡ • sin2 -1 По данным [1] для суглинка:

С0 = (3,47р2 -9,35р + 6,37) 404(к^ 2) при р-вгр/

/ м

( = 148р2 - 446,3р + 353( град).

Изменение д5 = f (НГ ,(0) приведено на рисунке 1. Общий вид корреляционного уравнения связи параметров qs = (-А  Я3 + В  Я г - С  Яг + Л)  10-1, МПа.

Несущая способность поверхности qs уменьшается соответственно с увеличением удельного давления гусеницы q, уменьшением параметров (X, Ь) и с ростом толщины деформируемого слоя Нг.

Для НГ = 0,5-2,0 м при р° = 80 qS = 0,13 - 0,06 МПа; при р0 = 150 qS = 0,26 - 0,11 МПа; при р0 = 250 qS = 0,61 - 0,26 МПа.

при (0 = 80 при(0 = 150 при(0 = 250

Рисунок 1 - Изменение несущей способности qs суглинистой поверхности

в зависимости от консистенции и параметров сравниваемых тракторов от толщины деформируемой поверхности Нг

Вариация qs = /(Нг) позволила определить изменение модуля общей деформации грунта Е = /^¡¡). По экспериментальным данным [3] в виде корреляционного уравнения связи параметров qs = /(Нг): Е

= - 60,8д2 + 80,34д5 -1.434 (МПа), что необходимо для расчетов параметров КЭ.

В соответствии с программой расчета КЭ = f(h, f р) и подпрограммами вариации С0 и р = f (р) и qs = f (Н^) на ЭВМ получены вариации значений критерия КЭ = f (НГ, F, x, при q - const и Кн = 1,0), представленных на рисунке 2.

при (0 = 80 при (0 = 150 при (0 = 250

Рисунок 2 - Изменение критерия оценки экологического взаимодействия

КЭ=/

Анализ графиков на рисунке 2 показывает, что

- для лесосеки 4 категории поверхности (Вк =0,75-1,0; (0 = 80; qs = 0,06-0,13 МПа) КЭ<0, поэтому экологически недопустимо применение промышленных лесных машин реального исполнения;

- для лесосек 3 категории поверхности (Вк = 0,5-0,75, (0 = 150; д = 0,11 - 0,25 МПа) экологически допустимо применение (КН =1,0) только тракторов ТТ-4М, ТЛТ-100;

- для лесосек выше 3 категории (при КН = 1,0; ВК = 0,25-0,5; ф = 250) экологически "условно", т.к. реально КН >1,0 допустимо применение тракторов. Предпочтение следует распространить на трактор ТЛТ-100, который, однако, по параметрам веса и стоимости выходит за разумные пределы.

Дальнейшие исследования уровня экологического взаимодействия проводились с учетом технологических факторов (приложение сил сопротивления перемещению пачек в полупогруженном или другом виде к раме трактора на высоте >1,0 м от грани вздыбливания трактора), что реально приводят к неравномерности распределения удельного давления q гусениц на поверхность, т.е. к росту Кн >1,0 (1,82-2,0).

Это резко ухудшает уровень экологического взаимодействия рассматриваемой системы, т.е. приводит к снижению критерия КЭ, который с определенной точностью (~10%) можно выразить в виде:

КЭ = фКРО

На рисунке 3 приведено расчетное изменение критерия КЭ = ДНГ, КН) для лесосек 3 категории (ВК = 0,5-0,75, qs = 0,115 МПа; ф = 15°) при КН >1,0 (1,82) и для критического режима технологического использования трактора (КН > 3,0) при значительном продольном деференте рамы трактора с отрывом передних катков от поверхности. Имеет место снижение параметров Х и F гусеницы, уменьшение длины опорной поверхности I на 37% (ТТ-4, ТЛТ-100) и на 52% (ТДТ-55) при росте удельного давления д в 1,9-3,8 раза [5].

—"I

- -*  —-1 >

ь к":::: --... 075 » ...........1 ...... 1.25 1.5 1, Г5

* ч 1 -Т..... ! I 1 ......

1

—•— ТДТ-55

""'•"-к...

Рисунок 3 - Изменение критерия КЭ=/(НГ, КН>1,0) с учетом реальных

технологических режимов применения стандартных лесных трелевочных тракторов

Общий вывод по проведенным исследованиям вариаций критерия Кэ:

- применение традиционного технологического режима трелевки пачек деревьев (хлыстов) с волочением части пачек по поверхности является экологически недопустимым (рисунок 3);

- применение вывозки древесины (сортиментов на прицепах и полуприцепах, хлыстов на скользящем основании и другие виды) при КН до 1,2-1,5 экологически допустимо при определенном состоянии поверхности лесосеки и параметрах трактора (предпочтительны трактора типа ТЛТ-100 и ТТ-4).

Применение критерия оценки уровня экологического взаимодействия КЭ в рассматриваемой системе "местность - машина" может быть использовано в программном алгоритме новых методов проектирования технологических режимов применения тракторов (прицепные грузовые модули) и структур ходовых систем тракторов, трансформируемых в зависимости от поверхностного фона с обеспечением равномерности распределения удельного давления на поверхность в тяговом режиме (повышение КЭ). Комплекс таких решений разработан в УГТУ.

Литература

1. Дроздовский Г.П. Экологическая оценка процессов взаимодействия в системе "Местность- машина" / Г.П. Дроздовский, Н.Р. Шоль //Актуальные проблемы лесного комплекса. Сб. науч. тр. по итогам межд. НТК. Выпуск 11. - Брянск: БГИТА, 2005. -С. 69-71.

2. Дроздовский Г.П., Шоль Н.Р., Суханов А.В. Исследование уровня экологического взаимодействия лесных трелевочных тракторов с деформирующей поверхностью / / Г.П. Дроздовский, Н.Р. Шоль, А.В. Суханов.// Актуальные проблемы лесного комплекса. Сб. науч. тр. по итогам межд. НТК. Выпуск 12. - Брянск: БГИТА, 2005.- С. 116-118.

3. Агейкин Я.С. Вездеходные колесные и комбинированные движители /Я.С. Агейкин.

- М.: Машиностроение, 1972. - 184 с.

4. Цытович Н.А. Механика грунтов / Н.А. Цытович. - М.: Высшая школа, 1973- 280 с.

5. Дроздовский Г.П. Исследование экологически-критического режима использования лесных трелевочных машин / Г.П. Дроздовский, Н.Р. Шоль // Сб. науч. тр.: матер. научно-техн. конф. (19-22 апреля 2005 г.): В 2 ч. Ч. 1 / Под ред. Н.Д. Цхадая.-Ухта: УГТУ, 2005.- С. 313-317.