Введение к работе
Актуальность темы исследования. С развитием общества изменяются
требования, предъявляемые к технологии. В современных условиях
необходимо стремиться не только к повышению производительности
процесса заготовки древесины и снижению себестоимости единицы
продукции в денежном эквиваленте. При организации процесса
лесозаготовки следует также учитывать его влияние на окружающую среду.
Негативное влияние трелевочных машин на почвогрунты лесосек
общеизвестно: перемещение техники зачастую вызывает уплотнение
почвогрунтов, что в перспективе препятствует естественному
лесовозобновлению, а также в ряде случаев повреждает корневую систему подроста. Все это наносит серьезный ущерб лесной экосистеме.
Снижению ущерба лесу, вызванного работой трелевочных машин, посвящено значительное количество научных работ, среди них нужно особо отметить труды Из отечественных ученых необходимо отметить работы Анисимова Г.М., Базарова С.М., Герасимова Ю.Ю., Герца Э.Ф., Григорьева И.В., Иванова В.А., Котикова В.М., Кочегарова В.Г., Кочнева А.М., Курьянова В.К., Макуева В.А., Меньшикова В.Н., Никифоровой А.И., Пошарникова Ф.В., Рябухина П.Б., Сюнева В.С., Шегельмана И.Р., Ширнина Ю.А., и многих других.
Ранее неоднократно отмечалось, что снизить негативные последствия
для окружающей среды становится возможным за счет рациональной, научно
обоснованной организации процесса трелевки (выбор трелевочной техники,
обоснование рейсовой нагрузки на трелевочную машину, выбор схемы
размещения волоков). В этой связи в лесоинженерном деле значительное
внимание уделяется исследованию процессов взаимодействия движителей
лесных машин с почвогрунтами лесосек. Большинство известных моделей
для описания этих процессов строится для системы «движитель машины +
деформируемая поверхность движения», по результатам реализации таких
моделей получают оценки глубины колеи и плотности почвогрунта, на
основании которых формулируют рекомендации по организации
технологического процесса трелевки.
Необходимо заметить, что большинство моделей используют в качестве интегральной характеристики сопротивления почвогрунта уплотнению модуль деформации. При этом остается сравнительно слабо изученным влияние на эту величину ряда факторов, таких, как влажность почвогрунта, процентное содержание органического вещества в нем, влияние корневой системы деревьев, тип и фракционный состав почвогрунта. Вопрос оценки изменения механических свойств почвогрунтов при многократном прохождении техники по волоку с учетом взаимного влияния обозначенных
факторов практически не исследован. Это, в свою очередь, сужает область практического применения результатов реализации существующих моделей.
Отметим также, что плотность почвогрунта и глубина колеи являются одними из важнейших, но не единственными показателями для оценки последствий воздействия лесных машин на почвогрунты и эффективности процесса трелевки. Напротив, присутствует сложный характер взаимного влияния, многообразие проявлений последствий для окружающей среды взаимодействия лесных машин с почвогрунтами. Так, известна связь коэффициента фильтрации лесного почвогрунта (который является показателем его влагопроводности) с развитием корневой системы оставляемых на доращивание деревьев, но при этом вопрос прогнозирования изменения коэффициента фильтрации в результате уплотнения также остается непроработанным.
Таким образом, выбранная тематика исследований, направленная на дальнейшее изучение вопросов взаимодействия движителей лесных машин с почвогрунтами лесосек для выработки методик обоснования параметров процесса трелевки древесины по дополнительным критериям оценки экологической эффективности, соблюдение которых обеспечит снижение вреда окружающей среде, представляется актуальной как для теории, так и для практики.
Степень разработанности темы исследования. Известные
математические модели, разработанные для оценки экологической эффективности первичного транспорта древесины, не в полной мере учитывают особенности процесса взаимодействия колесного движителя с почвогрунтом лесосеки. В частности, на настоящее время сравнительно слабо изучено влияние в комплексе влажности, процентного содержания органического вещества, корневой системы деревьев, типа и фракционного состава на деформативные свойства лесного почвогрунта. Вопрос оценки изменения комплекса указанных физико-механических свойств почвогрунтов при циклическом приложении нагрузки нуждается в дальнейшем развитии.
Цель работы: повышение эффективности процесса трелевки древесины путем обоснования его рациональных параметров исходя из требования о снижении экологического ущерба.
Объект исследования: уплотняемые движителями колесных лесных машин почвогрунты лесосек.
Предмет исследования: процесс трелевки древесины колесными лесными машинами.
Задачи исследования:
1. Получить зависимости для оценки изменения физико-механических свойств почвогрунта лесосеки в результате его циклического уплотнения в зависимости от влажности и фракционного состава.
-
Получить оценку влияния процентного содержания органического вещества, представленного корнями, на физико-механические свойства почвогрунта.
-
Получить зависимости для оценки плотности почвогрунта лесосеки при циклическом уплотнении под воздействием движителя колесной машины.
-
Получить зависимости для оценки коэффициента фильтрации почвогрунта лесосеки при циклическом уплотнении под воздействием движителя колесной машины.
-
Разработать математическую модель для описания процесса взаимодействия колесного движителя лесной машины с почвогрунтом лесосеки, позволяющую проводить комплексную оценку экологической эффективности процесса трелевки.
Научная новизна: математическая модель процесса взаимодействия
колесного движителя лесной машины с почвогрунтом лесосеки,
отличающаяся учетом влияния процентного содержания органического вещества, представленного корнями, и фракционного состава почвогрунта на его физико-механические свойства, позволяющая прогнозировать изменение физико-механических свойств почвогрунта в результате его циклического уплотнения и проводить комплексную оценку экологической эффективности процесса трелевки.
Теоретическая значимость работы. Разработанная математическая модель процесса взаимодействия колесного движителя лесной машины с почвогрунтом лесосеки и соотношения, полученные по результатам ее реализации, учитывают влияние содержания органического вещества, представленного корнями, и фракционного состава почвогрунта на показатели исследуемого процесса (относящиеся к изменению свойств почвогрунта при циклическом нагружении) и, тем самым, развивают теоретические представления о процессе взаимодействия колесного движителя с почвогрунтом
Практическая значимость работы. Предложенные соотношения для
оценки изменения физико-механических свойств почвогрунта при
циклическом воздействии колесного движителя позволяют на практике формулировать рекомендации, относящиеся к организации процесса первичного транспорта древесины (обоснование рейсовой нагрузки колесных лесных машин, числа проходов волоку в зависимости от свойств почвогрунта), позволяющие снизить экологический ущерб лесной экосистеме при трелевке древесины машинами с колесным движителем.
Положения, выносимые на защиту:
-
Экспериментальные результаты оценки влияния процентного содержания органического вещества, представленного корнями деревьев, на физико-механические свойства почвогрунта.
-
Зависимости, учитывающие влажность и фракционный состав почвогрунта, предназначенные для оценки изменения физико-механических свойств почвогрунта лесосеки в результате его циклического уплотнения.
-
Математическая модель для описания процесса взаимодействия колесного движителя лесной машины с почвогрунтом лесосеки, предназначенная для комплексной оценки экологической эффективности процесса трелевки.
Методология и методы исследования. При проведении исследований основой являлись работы признанных ученых в области лесной науки. Использованы базовые методы сбора и анализа информации. При проведении теоретических исследований применялись численные методы обработки расчетных данных, решения трансцендентных уравнений, математического анализа. На этапе планирования экспериментальных исследований применялись положения теории планирования эксперимента. В ходе обработки опытных данных использовались методы статистической обработки данных.
Степень достоверности результатов исследования обеспечивается:
методологической базой, основанной на положениях результатов
исследований ведущих ученых в области лесной науки; применением
современных вычислительных средств и лицензионного программного
обеспечения при обработке результатов исследований; использованием
апробированных методик и поверенного оборудования при проведении
экспериментальных исследований; удовлетворительной сходимостью
результатов теоретических и экспериментальных исследований.
Апробация результатов проводилась на ежегодных научно-технических конференциях СПбГЛТУ в 2002 – 2015 гг., XI Международной научно-технической интернет-конференции «Леса России в XXI веке» (Санкт-Петербург, 2014), Международной научной конференции SGEM-2014 (София, 2014) (материалы конференции индексируются в базе Scopus), Республиканской научно-практической конференции «Наука, образование, инновации в приграничном регионе» (Петрозаводск, 2015). Основное содержание работы опубликовано в 2 статьях из перечня журналов, рекомендованных ВАК РФ для публикации результатов диссертационных исследований, общее число публикаций по теме работы составляет 6. Результаты исследований также отражены в отчетах по НИР.
Исследования выполнялись в створе Перечня Приоритетных направлений развития науки, технологий и техники РФ, (от 07.07.2011 г.)
пункт «Рациональное природопользование». Часть материалов работы получена при выполнении НИР № 01201255482 «Разработка теоретических основ сквозных технологических процессов и модульных систем машин лесозаготовительного производства», руководитель, проф. И.В. Григорьев. Работа выполнена в рамках научной школы «Инновационные разработки в области лесозаготовительной промышленности и лесного хозяйства», которая включена в реестр ведущих научных и научно-педагогических школ Санкт-Петербурга распоряжением Комитета по науке и высшей школе Правительства Санкт-Петербурга от 13.12.2013 № 99. Руководитель школы -проф. ИВ. Григорьев.
Сведения о структуре работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, общих выводов и рекомендаций, списка использованных источников (включает в себя 104 наименования). Основное содержание работы изложено на 160 страницах машинописного текста (текст включает в себя 67 рисунков, 34 таблицы).
СТРУКТУРА РАБОТЫ