Математическое моделирование взаимодействия гусеничной лесной машины с почвой

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ГУСЕНИЧНОЙ ЛЕСНОЙ МАШИНЫ С ПОЧВОЙ

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

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

Почва оказывает большое влияние на развитие корневых систем [4].

На песчаных почвах чаще всего формируются экосистемы сосновых лесов, а на супесях и суглинках - еловые экосистемы.

Такие породы, как сосна, береза, осина, имеют более глубокое залегание основных корней, корни ели усиленно разрастаются по поверхности почвы в горизонтальном направлении.

Независимо от глубины стержневых крупных корней основное количество всасывающих корешков и корневых окончаний расположена в верхнем слое почвы, поскольку он обладает лучшими физическими свойствами, содержит основное питание и обеспечивает достаточный подвод кислорода к корешкам за счет наличия почвенных пор [4].

Если почва не уплотнена, то корневые ходы, трещины и пустоты в глубине почвы способствуют усиленному развитию корней, обеспечивают их прирост и нормальное сокодвижение к стволу дерева.

Проход машины вблизи растущего дерева, вызывающей давление на почву 80 кПа приводит к снижению степени роста дерева из-за повреждаемости мелких корней. При этом, чем ближе машина проходит около дерева, тем больше зажатых в почву корешков. В весенне-летний период степень повреждений, как ствола, так и корней дерева возрастает в 4 раза [3, 4]. Наиболее неблагоприятными для корневой системы является период, когда начинается интенсивное сокодвижение, так как сдавливание почвы, насыщенной мелкими корешками, резко снижает их физиологическое функционирование.

Степень негативного воздействия гусеничного движителя мобильных лесных машин на почву характеризуется интенсивностью колееобразования и величиной ее уплотнения, а также уровнем механической повреждаемости поверхностных корневых систем [6, 7, 11].

При анализе результатов исследований воздействия гусеничных машин на лесные экосистемы было выявлено следующее:

а) давление лесной машины на почву более 80 кПа уплотняет ее поверхностные слои, изменяет строение почвенно-растительного покрова, вследствие чего сильно меняется воздушно-водный режим, нарушается функционирование корневых систем растений;

б) влажные или рыхлые лесные почвы сильно деформируются, т.е. машины на них образуют глубокую колею, из-за чего корни деревьев и растений перерезаются, переламываются или разрываются;

в) порозность лесной почвы при давлении выше 80 кПа в очень сильной степени уменьшается из-за деформации почвы движущимися машинами, что приводит к резкому снижению проникновения в нее воздуха и воды.

Достичь безопасного для растений и лесной почвы давления можно, изменяя конструкцию гусеничного движителя и его параметры. Полученное в процессе исследований уравнение позволяет учесть влияние на величину деформации почво-грунтов И параметров движителя (Ь, Ь) и давление, передаваемого опорной поверхностью гусеницы д0 на почвогрунт [8, 9].

к =

2хЬ • Р

Ег

1

аг^

4 Х

М

2 — + м(х - 1) Н У 7

ч о •

ч* - д

2

где д - предел несущей способности почвогрунта, Н/м ; д0 - среднее давление гусеницы на почвогрунт, Н/м2,

Чо =

2 • Ь • V

Ом - вес лесной машины, Н;

Р - коэффициент, характеризующий боковое расширение грунта;

М - коэффициент Пуассона для грунтов;

Н - глубина распространения напряжений в почве-грунте от нагрузки машины (по результатам многочисленных исследований [8, 16], Н &2Ь), м;

л

Е0 - модуль упругой деформации почвогрунта при отсутствии сдвигов, Н/м ;

.х - отношение длины опорной поверхности гусеницы Ь к ее ширине Ь.

Как показали экспериментальные исследования взаимодействия гусеничных движителей мобильных машин [7, 8, 9], замеренные величины колеи были в несколько раз больше рассчитанных по эмпирическим формулам. В этих формулах среднее давление д0 движителя на грунт берется одинаковым по всей опорной длине гусеницы.

В действительности из-за звенчатости гусеницы и в связи с тем, что в движителе лесных машин используются опорные катки большого диаметра и их количество в несколько раз меньше числа звеньев на опорной длине гусеницы, реальное давление дтах, передаваемое на грунт, значительно больше д0.

Давление цтах , оказывающее основное влияние при формировании колеи после прохода машины, можно определить по следующему уравнению [10]:

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

а

Чо

2

а

5п -

2

где

С

1+

я:

г

(Я: + 1 )2

а

\

-1

V ( У

а - расстояние между соседними опорными катками (шаг катков), м; t - расстояние между осями, соединяющие соседние звенья гусеницы (шаг гусеницы), м;

п - число опорных катков в ходовой части машины.

Из уравнения (2) видно, что при постоянном весе машины максимальные давления под опорными катками зависят от конструктивных параметров движителя (а, {), расположения и количества опорных катков, а также от свойств грунта (дз). Влияние этих факторов подтверждается целым рядом экспериментов [1, 2, 3].

Это позволяет рекомендовать полученное уравнение (2) для практических расчетов д^*.

Учитывая выражения (1) и (2) получим уравнение для определения общей деформации слабого грунта под реальным гусеничным движителем:

1 Я

п = а--

Ятях

где а - коэффициент, характеризующий сопротивление почво-грунтов смя

Ят

тию, м /Н;

а =

2 хЬ • р

1

аг

4 Х-И2(х-1)2 М

4 Х-м2(х-1)2 М

2 — + м(х -1) Н 4 7

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

_И = Рк - Ро Н 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/м3.

С учетом выражений (3) получим уравнение для определения плотности почвы-грунта в следе после прохода гусеничной машины:

' ИЛ

Рк = Ро

1 + — V Ну

Заключение

Разработанные математические модели (1, 2, 3 и 4) взаимодействия гусеничного движителя с лесной почвой позволяют управлять и прогнозировать ее

уплотнение от лесных машин в зависимости от свойств почвы и параметров движителя.

Литература

1. Ксеневич И.П., Скотников В.А., Ляско М.И. Ходовая система - почва - урожай. - М.: Агропромиздат, 1985. 304 с.

2. Беккер М.Г. Введение в теорию систем местность - машина. Пер. с англ. - М.: Машиностроение, 1973, 520 с.

3. Кулешов А.П., Колотилин В.Е. Экологичность движителей транспортно-технологических машин. - М.: Машиностроение, 1993. - 286 с.

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. Вличние способа трелевки на эксплуатационную эффективность трелевочного трактора. Авт.реф. канд. дисс. 2000 г.

6. О нормах допустимых давлений на почву в зависимости от ее физических свойств. /А.Г. Бондарев, П.М. Сапожников, В.Ф. Уткаева, В.Н. Шепотьев/, Труды «Воздействие движителей на почву» - М.: ВИМ, 1988, т. 118, с. 67-75.

7. Лесоводственные требования к технологическим процессам лесосечных работ. - М.: Федеральная служба лесного хозяйства России, 1993.

8. Лобанов В.Н. Обоснование параметров движителя гусеничной лесной машины. Материалы Всероссийской научно-практической конференции «Повышение технического уровня машин лесного комплекса» - Воронеж, 1999. с. 135-138.

9. Лобанов В.Н. Исследования взаимодействия гусеничного движителя лесных машин со слабым грунтом. - Архангельск, ИВУЗ «Лесной журнал», № 1-2, 1997, с. 45-49.

10. Лобанов В.Н. К вопросу распределения давления по опорной поверхности гусеничного движителя. В кн.: «Вклад ученых и специалистов в национальную экономику», т. 1. -Брянск: БГИТА, 1999, с. 59-60.

11 . Письмеров А.В., Ханбеков Р.И. Влияние механизированных лесозаготовок на изменение почвенного покрова в лесах Уфимского плато /Горные леса Южного Урала/ - Уфа: Башкирское книжное издательство, 1971, с. 60-64.