Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса и задачи исследования 10
1.1 Экологические последствия воздействия ходовых систем машин на лесные почвы 10
1.2 Исследования воздействия ходовых систем машин на лесные почвы 16
1.3 Географические информационные системы и возможность их применения при решении поставленных задач 25
1.4 Постановка задачи исследований 29
2. STRONG Моделирование взаимодействия движителей с почвой на основе использования метода
конечных элементов STRONG 32
2.1 Основные понятия 32
2.2 Моделирование лесной почвы 38
2.3 Моделирование элементов ходовых систем 50
2.4 Результаты моделирования взаимодействия элементов ходовых систем машин с лесной почвой 52
3. Применение географических информационных систем для оценки экологической совместимости движителей лесных машин со средой 61
3.1 Определение и области применения ГИС 61
3.2 Процедура разработки ГИС-проекта 66
3.2.1 Создание электронных карт и соответствующих баз данных исследуемой территории 67
3.2.2 Разработка программы для анализа БД 74
4. Экспериментальные исследования воздействия лесной техники на почву 86
4.1 Цель и задачи исследования 86
4.2 Характеристика объектов исследований 86
4.3 Характеристика условий эксперимента 88
4.4 Порядок проведения и определяемые параметры 90
4.5 Результаты испытаний 96
5. Исследование экологической совместимости лесных машин со средой в условиях северной и средней тайги республики карелия 112
5.1 Описание объекта исследования 112
5.2 Применяемые технологии лесозаготовок и машины 118
5.3 Исследование воздействия техники на почву и разработка рекомендаций 124
5.3.1 Проходимость 124
5.3.2 Уплотняемость 127
5.3.3 Оценка возможности применения тракторов по двум критериям 127
Выводы 131
Основные результаты и выводы по работе 133
Литература 136
Приложение 1 147
- Исследования воздействия ходовых систем машин на лесные почвы
- Моделирование лесной почвы
- Процедура разработки ГИС-проекта
- Характеристика объектов исследований
Введение к работе
Актуальность темы. Эффективность лесозаготовок на современном уровне развития общества в значительной мере определяется степенью влияния применяемых технологий и машин на природную среду. Сегодня международная торговля древесной продукцией, лесоэксплуатация теснейшим образом увязываются с вопросами сертификации лесной продукции, важной частью которой является экологическая составляющая.
Повышение степени машинизации лесозаготовок и соответствующий рост их эффективности приводят к усилению техногенного воздействия лесозаготовительных процессов на лесную среду. При проведении рубок главного пользования это воздействие сводится к уплотнению почвы, разрушению почвенного покрова по следу движения машин с образованием колеи и частичной или полной минерализацией почвы. Последствия уплотнения и амелиорации участков колеи негативно сказываются на процессе лесовозобновления, что нарушает основополагающие принципы неистощительного использования возобновляемых природных ресурсов. Еще острее проблема взаимодействия лесных машин с почвой стоит при проведении выборочных рубок и рубок ухода за лесом. В этом случае, помимо отмеченных отрицательных воздействий, движители машин перерезают корни оставляемых на доращивание деревьев вблизи технологических коридоров. Кроме того, уплотнение почвы затрудняет рост молодых корней, что отрицательно сказывается на дальнейшем развитии древостоя, вплоть до его гибели.
Минимизации вредного воздействия машин на лесную среду последние годы уделяется значительное внимание. Эти вопросы находят свое отражение в таких важных государственных документах, как «Основные положения государственной стратегии Российской Федерации по охране окружающей среды и обеспечению устойчивого развития», «Критические технологии
*
федерального уровня (раздел: Технологии минимизации экологических последствий трансграничных воздействий)», «Экологическая доктрина Российской Федерации». Согласно этим документам одним из главных направлений современной государственной лесной политики является «...совершенствование систем управления природными ресурсами, создание эффективных средств контроля и экологического мониторинга, повышение уровня экологической экспертизы и информационного обеспечения...».
Учитывая современный уровень развития компьютерных информационных технологий, требования программ информатизации и внедрения ГИС-технологий в лесном хозяйстве на 1999-2005 годы, решение задачи обеспечения экологической совместимости машин со средой должно базироваться на использовании достижений информационных технологий по оценке, мониторингу и прогнозированию последствий движения машин при осуществлении лесозаготовок.
Цель работы. Повышение эффективности лесозаготовок и использования машин на основе создания и применения компьютерной системы оценки и прогнозирования экологических последствий движения машин по лесным почвам северной и средней тайги (на примере Республики Карелия).
Объекты и методы исследований. Объектами исследований явились участки северной и средней тайги Суоярвского района Республики Карелия, хлыстовая и сортиментная технологии лесозаготовок на предприятиях района, гусеничные и колесные лесозаготовительные машины ТДТ-55А и Timberjack-1010. Основными методами исследований являлись ГИС-технологии (географические информационные системы), моделирование взаимодействия движителей машин с лесной почвой на основе метода конечных элементов (МКЭ), экспериментальные исследования колееобразования, изменения плотности и твердости почв, методы математической статистики.
*
Для решения поставленных задач использовались следующие программные средства: ANSYS 5.5, Maplnfo 5.0, MapBASIC 5.0, MicrosoftExel.
Научная новизна работы.
Разработана методика оценки последствий движения машин по лесным почвам, базирующаяся на новых компьютерных информационных технологиях и отличающаяся возможностью картографического представления информации.
Предложена методика создания банков данных и электронных карт по почвенно-грунтовым условиям территории на основе ГИС-технологий и полевых экспедиционных исследований.
Разработана математическая модель взаимодействия ходовых элементов машин с лесной почвой на основе использования метода конечных элементов, отличающаяся учетом упруго-пластических свойств почвы, наличием корней и камней.
Получены экспериментальные данные по оценке экологической совместимости гусеничной и колесной машин с лесной почвой по комплексу её важнейших характеристик (плотности, твердости, пористости) и глубине колеи.
Практическая значимость. Совокупность предложенных моделей и информационных баз данных и электронных карт составляют основу системы компьютерной оценки, мониторинга и прогнозирования последствий воздействия лесозаготовительных машин на лесные почвы. Применение системы позволяет на этапе планирования работы лесозаготовительных и лесохозяиственных предприятий осуществлять принятие решений по обоснованию типа и марок применяемых машин с учетом экологического фактора. С использованием предлагаемой системы возможно проигрывание конструктивных вариантов различных движителей на этапе проектирования
*
машин с обоснованием их рациональных параметров. Результаты конкретных исследований по Суоярвскому району Республики Карелия и рекомендации по использованию машин на предприятиях района имеют самостоятельное практическое значение.
Основные положения, выносимые на защиту:
возможность проведения оценки, мониторинга и прогнозирования воздействия машин на лесную среду на основе ГИС-технологий;
возможность исследования процессов взаимодействия ходовых систем машин с лесной почвой с использованием конечно-элементных компьютерных моделей;
методика создания электронных карт и баз данных по почвенно-грунтовым условиям территории;
методики и результаты экспериментальных исследований по оценке воздействия лесных машин на почву;
рекомендации по применению машин в условиях северной и средней тайги (на примере Суоярвского района Республики Карелия).
Достоверность результатов исследований. Достоверность результатов исследований обеспечивается использованием современных информационных технологий, компьютерного обеспечения, методов и средств и подтверждается данными натурных экспериментов и положительным опытом внедрения разработок в практическую деятельность.
Реализация работы. Разработанная система оценки экологической совместимости машин со средой внедрена на предприятиях ОАО АК «Кареллеспром», Карельском НИИ лесной промышленности, Онежском тракторном заводе, используется в учебном процессе на кафедре тяговых машин Петрозаводского государственного университета.
Результаты исследований использованы при выполнении международных проектов Taiga-Model Forest (Россия-Финляндия, 1997..2000 г.г.), Tempus Tacis T_JEP 10347-97 Development of the Environmental and Economics Studies (Россия-Финляндия-Швеция, 1997..2000 г.г.) и отечественного гранта «Интеграция» (2001 г.) по теме «Экологические последствия технологических процессов лесозаготовок в северной и средней тайге Республики Карелия» (№ госрегистрации 01.200.1 19178) и включены в соответствующие отчеты.
Апробация работы. Основные положения и результаты работы были представлены на международных, российских и региональных конференциях и семинарах: «Проблемы развития лесного сектора» (г. Петрозаводск, 18..19 ноября 1998), «Биологические основы изучения, освоения и охраны животного и растительного мира, почвенного покрова Восточной Фенноскандии» (международная конференция и выездная сессия отделения Общей биологии РАН: г. Петрозаводск: Институт биологии Карельского НЦ РАН, 6..10 сентября 1999), «Научно-технический прогресс в лесном комплексе» (г. Сыктывкар, 18..20 апреля 2000); «Региональные проблемы развития лесного комплекса» (г. Петрозаводск, 1998), «Ресурсосберегающие технологии лесного комплекса» (г. Петрозаводск, 1998), «Научное обеспечение лесного комплекса Карелии» (г. Петрозаводск, 1999).
Публикации. Основное содержание диссертации изложено в 14 печатных работах, в том числе двух учебных пособиях.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти разделов, заключения, списка использованных источников и приложений. Общий объем работы 155 с, 57 рисунков, 9 таблиц, 2 приложения. Список использованных источников включает 112 наименований.
Исследования воздействия ходовых систем машин на лесные почвы
Исследования воздействия ходовых систем машин на лесные почвы базируются на сходных и проведенных ранее многочисленных исследованиях воздействия ходовых систем машин на почвы сельскохозяйственных угодий, особенно пахотных земель. В первую очередь к таким работам следует отнести труды Н.А. Алексейчика, И.П. Ксеневича, В.А. Скотникова, М.И. Ляско, Д. И. Золоторевской, В. В . Гуськова, И. И. Водяника и ряда других авторов, работающих в области механизации сельскохозяйственных производств. Именно в работах этих исследователей наиболее полно и глубоко рассмотрены вопросы взаимодействия сельскохозяйственных машин с почвой и предложены меры по снижению отрицательных воздействий машин на почвы как организационного, так и технологического и конструктивного характера.
Несмотря на огромную научную и практическую значимость этих работ, их результаты нельзя распространить на сферу лесного хозяйства и лесозаготовок, поскольку сама лесная почва и условия работы машин (в первую очередь технологии) существенно отличаются от сельскохозяйственных условий.
Лесная почва таежных лесов представляет собой в большинстве случаев минеральный слой (песок, супесь, суглинок или глина) и характеризуется есте-ственным сложением, повышенной начальной плотностью (0,95..1,30 г/см), наличием значительного количества корней и камней, тонким, легко уплотняемым и срезаемым гумусным слоем (З.ЛО см) [107]. Свойства почвы зависят от её типа, характеризуемого в основном размером минеральных частиц и их распределением [4, 61, 73, 75]. До техногенных воздействий лесная почва, как правило, находится в состоянии естественного сложения, и её свойства на данном участке не претерпевают значительных изменений в течение длительного периода времени [46]. Основополагающими работами в области изучения физических свойств почво-грунтов являются исследования В. Ф. Бабкова, М. Г, Беккера, Д. Ж. Вонга, И. Б. Ревута, К. Терцаги, Н. А. Цытовича и др.
Лесные машины также имеют только присущие им конструктивные особенности и специфическую технологию применения. Они, как правило, при освоении лесосек совершают многократные проходы по одному и тому же следу (волоку), а не по всей площади обрабатываемого поля как сельскохозяйственные машины. Лесные машины, перемещаясь по волоку, либо валят и обрабатывают деревья, либо перемещают их. Сельскохозяйственные машины, используя навесные орудия, обрабатывают почву по следу своего движения.
Исследованиям взаимодействия лесных машин с лесными почвами (с учетом специфики самих почв и особенностей технологии работ машин) посвящены труды отечественных ученых Г. М. Анисимова, Б. М. Большакова, И. М. Бартенева, Г. К. Виногорова, Ю. А. Добрынина, Г. П. Захаренко, В. М. Котикова, В. К. Курьянова, А. М. Кочнева, В. И. Патякина, Л. А. Рогалюка, Э. М. Салминена, В. С. Сюнева, Д. И. Шеховцева, А. М. Цыпука и ряда других авторов.
Этими авторами рассмотрены специфические вопросы воздействия ходовых систем машин на лесные почвы, предложены показатели оценки такого воздействия, отмечена необходимость рассмотрения особенностей самой лесной почвы, её специфики.
Существующие отечественные ГОСТы 26953-86, 26954-86, 26955-86 [22, 23, 24] и многие исследователи, работающие в области сельскохозяйственных производств, в качестве основного показателя воздействия машин на почвы рекомендуют применять среднее удельное давление колес или гусениц. Этот показатель и сами упомянутые ГОСТы не раз подвергались справедливой критике [15, 51, 72]. Поскольку, во-первых: реальные значения удельных давлений могут превышать средние в несколько раз [2, 3, 63], а во-вторых: сами методики определения удельных давлений могут различаться [62, 72, 77].
Последние исследования в области механизации сельского хозяйства [1, 11, 16, 45, 52], а также работы по исследованию воздействия лесных машин на почвы, выполненные Г. М. Анисимовым, Б. М. Большаковым, В. М. Котиковым, А. М. Кочневым, В. С. Сюневым и другими отечественными учеными [2, 3, 7, 27, 40, 41, 42, 62], рекомендуют в качестве оценочных показателей и другие величины. При этом ведущая роль отводится характеристике уплотнения почвы.
Поскольку большинство современных исследователей [8, 13, 29, 31, 37, 38, 43, 44, 57, 67, 81, 82,95, 96, 102, 103, 107] отмечают недостаточность использования только одного показателя изменения плотности грунта после прохода машин для оценки степени их влияния на почвы, то целесообразным оказывается пользоваться несколькими показателями для оценки этого воздействия. Основными такими показателями являются: глубина и характер оставляемой колеи; твердость или изменение напряжений в почве; плотность фунта на поверхности (слой губиной 0..5см) и на глубине15..20 см; пористость почвы.
Часть этих показателей можно определить только экспериментальным путем, некоторые (такие как напряжения в почве, изменения плотности, глубина колеи) возможно получить и по результатам математического моделирования.
Анализ опубликованных работ показывает, что эти показатели четко связаны со значением средних qcp и максимальных qMax давлений движителей машин на почву.
М.И. Ляско и И.П. Ксеневич [45] рекомендуют использовать показатель воздействия /, характеризующий изменения плотности почвы. Этот показатель использовался и в упомянутых работах Б.М. Большакова, посвященных движению трелевочных тракторов на почву.
Моделирование лесной почвы
Свойства почвы зависят от её типа, характеризуемого в основном размером минеральных частиц и их распределением [4, 61, 73, 75]. До техногенных воздействий лесная почва, как правило, находится в состоянии естественного сложения, и её свойства на данном участке не претерпевают значительных изменений в течение длительного периода времени [46]. Это позволяет обосновать совместное использование географических информационных технологий (ГИС) и МКЭ для решения вопросов экологической совместимости лесных машин с почвой.
Согласно методике, описанной в главе 3, были разработаны электронные почвенные карты территорий опытно-производственного лесничества Петрозаводского государственного университета и Суоярвского района Республики Карелия. Пример почвенной карты опытно-производственного лесничества Петрозаводского государственного университета представлен на рис. 2.1.
Каждый тип почв на карте характеризуется определенным набором физических свойств, заносимым в координатно-увязанные базы данных.
Особенностью лесной почвы бореальных лесов является высокая насыщенность верхнего слоя корнями растений, наличие достаточно большого количества камней, неоднородность строения по глубине. Сочетание двух первых факторов создает верхний, как бы армированный, более прочный слой почвы. При движении машин этот слой препятствует разрушению нижних слоев до тех пор, пока его армирующие свойства не окажутся нарушенными ходовыми системами.
При рассмотрении прочностных свойств почвы, под которыми понимается способность почвы в определенных условиях воспринимать воздействие внешних усилий без полного разрушения, под пределом прочности понимается предел, при превышении которого наступают необратимые деформации почвы, и она уже не может воспринимать прикладываемых к ней дополнительных усилий. Почва (в дальнейшем будем также применять термин «грунт») находится в прочном состоянии до тех пор, пока воздействующие на нее усилия менее предела её прочности.
Прочность сыпучих грунтов (различного рода песков) определяется в основном силами трения, возникающими в контактах между частицами. Связные грунты (глинистые, суглинки и супеси) отличаются от сыпучих грунтов тем, что частицы и агрегаты частиц этих грунтов связаны между собой пластичными (водно-коллоидными) и частично жесткими (цементационно-кристализационными) связями. При этом их прочность определяется не только силами трения, но и силами сцепления [55, 70, 75].
Анализ литературных источников показал, что существует достаточно большое число условий прочности сред и материалов. Для описания свойств грунтов широкое распространение получили теории прочности Мора-Кулона, Губера-Мизеса, Боткина, Друккера-Прагера [17, 21, 53].
Большинство современных программных средств, позволяющих реализовать МКЭ в оценке воздействия ходовых систем на почвы, такие как ABAQUS и ANSYS, используют для описания прочностных свойств почво-грунтов теорию прочности Друккера-Прагера (Drucker-Prager model). На использовании этой же теории прочности основываются упомянутые выше специальные программные средства (VENUS - Vehicle NatUre Simulation, MARC).
Почвенная модель, базирующаяся на теории Друккера-Прагера, позволяет рассматривать связные и несвязные грунты, описывать почву упруго-пластичными свойствами (что особенно важно при исследовании воздействия ходовых систем на почвы), учитывать явления ползучести [66].Программные средства предусматривают реализацию линейной, гиперболической и экспоненциальной интерпретаций моделей Друккера-Прагера.
Для решения поставленных в исследовании задач целесообразно и достаточно использование линейной модели [105].
Согласно теории Друккера-Прагера, в линейной интерпретации разрушение грунта по некоторой площадке происходит при условииt,4 r P - инварианты напряжений рассматриваемой модели прочности;fi - угол наклона линейной поверхности в «ї-р»-пяапе (угол внутреннего трения); d - сцепление материала. Пластические свойства почвы в модели Друккера-Прагера учитываются явлением дилатансии. Дилатансия — это изменение объёма (увеличение / уменьшение объёма) при сдвиговых деформациях. Установлено, что грунты достаточно плотного сложения при сдвиге начинают увеличиваться в объёме, а грунты рыхлого сложения, обладающие большой начальной пористостью, уменьшаются в объёме при сдвиге. Таким образом, объёмная деформация оказывается функцией деформации сдвига [53]. Особенно четко эта связь просматривается при применении показателя пластического потенциала [26].
В линейной модели Друккера-Прагера уравнение пластического потенциала имеет видгде у-угол дилатансии.Графическая интерпретация линейной упруго-пластической модели Друккера-Прагера (поверхность предельных напряжений и направление пластического потока в «/-р»-плане) представлена на рис. 2.2.
В случае упруго-идеально-пластической среды (глинистые, связные грунты) направление пластического потока ассоциируется с функцией нагружения (ассоциативный поток). Вектор dspl перпендикулярен к поверхности текучести (у/ = у?). Для гранулированных материалов (гравийные, песчаные грунты) характерен неассоциативный закон пластического потока, что подтверждается рядом экспериментальных данных. В этом случае обычно у/ р и явление дилатансии проявляется при у/ 0(обычно у/ = 0,5...0,7/9) [10].
Процедура разработки ГИС-проекта
Любой ГИС-проект имеет последовательность следующих логических шагов, каждый из которых основан на предыдущем. Шаг 1. Создание электронных карт и баз данных. Подбор программных и аппаратных средств. Разработка электронной карты включает следующие шаги: проектирование структурного скелета электронной карты - определение границ исследуемой местности, используемой системы координат, необходимых слоев данных, объектов в каждом слое, атрибутов, способов кодирования и организации атрибутов; проектирование структуры таблиц БД; ввод картографических материалов и данных полевых исследований; оцифровка или преобразование данных из других форматов; проверка и исправление ошибок и создание топологии; ввод атрибутивных данных и связывание атрибутов с пространственными объектами; преобразование пространственных данных в реальные координаты и стыковка смежных покрытий; геокодирование - привязка БД пространственных объектов, созданных в других программных средствах.
Шаг 2. Анализ данныхВыбор критериев для анализа данных, разработка программ обработки ГБД, выявление закономерностей, математический, статистический анализ полученных результатов.
Шаг 3. Представление результатов анализаСоздание карт, схем, таблиц, графиков, иллюстрирующих результаты анализа.Рассмотрим подробнее каждый из описанных выше шагов.Выбор программных продуктов и подходящего оборудования.Предлагаемая система оценки, мониторинга и прогнозирования воздействия лесных машин на почвы основывается на базе пакета Maplnfo 5.0. Выбор данного программного продукта обусловлен: его доступностью (приемлемым соотношением цены и эксплуатационных качеств, т.е. спектром выполняемых функций и качеством решения задач); наличием русифицированной версии пакета программ; наличием опыта эксплуатации системы, в процессе которой были выявлены широкие возможности ее применения при решении обширного круга задач в лесном комплексе. приемлемости требований к оборудованию (производительность ПЭВМ, объем памяти); достаточным для системы такого уровня быстродействием; возможностью расширять систему в дальнейшем (открытость архитектуры); возможностью интеграции в уже созданные на кафедре тяговых машин и ГИС-центре ПетрГУ ГИС; наличием удобного инструмента для создания пользовательских приложений; возможностью импорта/экспорта данных в пакет MicrosoftExel.Также при разработке системы использовались пакеты программ MapBASIC5.0, MicrosoftExel, PhotoShop 5.0.
В качестве аппаратного обеспечения при разработке и эксплуатации системы используются IBM-совместимые компьютеры с процессором Intel РП 266 МГц, объем оперативной памяти 60Мб, объем жесткого диска 2Гб. Работа приложений осуществляется на платформе операционной системы WindowsNT4.0 SP5.
Для сканирования бумажных карт использовался цветной планшетный сканер HewllettPackard-4p формата А4.
Из вышесказанного видно, что программное обеспечение созданной системы может работать при использовании аппаратного обеспечения средней про изводительности, за счет чего существенно снижаются материальные затраты на внедрение системы на производстве.
Необходимые слои электронных карт и БД
Для выполнения своих функций ГИС-система должна включать следующие слои и БД: «Район» - данные о границах исследуемого района, границах лесхозов и лесничеств, расположенных на его территории; «Населенные пункты» - данные о местоположении населенных пунктов района и информация о них; «Озера» - данные о положении озер на территории района и их названия. «Реки» - данные о положении и названия рек. «Дороги» - данные об автомобильной транспортной сети. «Железные дороги» - данные о наличии жлезных дорог. «Почвы» - данные о типах почвенного покрова, в том числе следующие: границы участков с различными типами почв, идентификатор типа почвы, название типа почвы, коэффициент несущей способности грунта, коэффициент уплотняемости грунта, максимальное значение несущей способности почвы. «Лесосырьевая база» - данные о лесосырьевых базах предприятий, расположенных на исследуемой территории. «Машины» - данные о лесозаготовительных машинах: тип, колесная формула и т.д.
В качестве топоосновы применяются карты масштабом 1:200000. Система координат - «план-схема». Выбор данного масштаба определяется доступностью топографических карт, достаточной подробностью географической информации, возможностью дальнейшего расширения системы и использованияданного масштаба карт на предприятиях лесного комплекса. Основные характеристики и требования к содержанию и технологии изготовления карт приняты согласно требованиям нормативных документов [30].Для создания системы используются топографическая карта местности, карты лесоустройства (лесхозы, лесничества, квартальная сеть), карты границ ле-сосырьевых баз предприятий, почвенные карты, карты четвертичных отложений.
Для создания слоя почвенно-грунтовых условий используются почвенные карты масштаба 1:1000000, результаты дистанционного зондирования, данные, полученные во время проведения полевых экспедиций, и модели поверхностей, построенные по результатам обработки данных полевых исследований.Ввод данных.
На этапе ввода картографических материалов и почвенных исследований производится сканирование бумажных карт. Результат сканирования представляет собой файл в графическом формате, использующемся в ГИС. При выполнении данной работы использовались форматы TIFF и GIF. Размер файла зависит от величины изображения, формата, разрешающей способности сканера и количества оттенков цвета. Для быстрой и качественной оцифровки - перевода данных из растрового в векторный формат, требуется изображение с разрешением, как минимум, 400 и более точек на дюйм и с 256-ю градациями серого цвета. Этот этап наиболее требователен к объему памяти, имеющейся в распоряжении ПЭВМ.
Полученные изображения обрабатывались с помощью графического редактора (PhotoShop 5.0) с целью улучшить изображение, повысить его четкость, контрастность. Это позволило в дальнейшем, при оцифровке, уменьшить количество ошибок, а также повысить производительность работы за счет меньшей утомляемости.Следующим этапом работ является привязка растровых изображений.
Характеристика объектов исследований
Испытания проводились для двух типичных машин: гусеничного трелевочного трактора ТДТ-55А (рис. 4.1) и наиболее распространенного в Скандинавии финского колесного форвардера TimberJack-1010 (рис. 4.2). Для сопоставимости получаемых результатов испытуемые машиныприводились к эквивалентной массе: форвардер, имеющий массу 11 тонн, двигался по испытательному маршруту порожним, а трактор ТДТ-55, имеющий массу порядка 9,5 тонн, догружался хлыстами до массы 11 тонн.
Таким образом, гусеничная машина имитировала хлыстовую трелевку леса, а форвардер - сортиментную.
Взвешивание хлыстов и определение доли силы веса пачки, приходящейсяна машину, проводилось с использованием стрелочного динамометра иманипулятора трактора ТБ-1.
Испытания были организованы в районе поселка Матросы в 30 км от Петрозаводска на учебно-производственной базе Петрозаводского университета. Испытания машин проводились на одном участке леса в одно и тоже время. Таким образом, почвенно-грунтовые, растительные и климатические условия были одинаковыми. Испытания проводились в сухой период. Влажность образцов грунта, определенная в лаборатории весовым способом, не превысила 13 %.
Исследования выполнялись в хвойном лесу (сосняк лишайникового типа, состав насаждения ЮС, возраст З5..40лет, бонитет IV, полнота 0.4, подрост -сосна и ель, подлесок — можжевельник) на песчаных сухих почвах. Напочвенный покров представлен белыми мхами: кладонией альпийской, вильчатой и лесной (проективное покрытие 100%); вереском (10%); единично -брусникой.
Для проведения испытаний был подготовлен специальный полигон, представляющий собой свежую вырубку, осуществленную вручную бензопилами без применения трелевочных механизмов. Подрост и мелкие деревья на вырубке сохранялись.Схема полигона показана на рис. 4.3.
Для оценки адекватности разработанных конечно-элементных моделей были проведены отдельные серии опытов на невырубленных участках. Здесь же были проведены исследования по влиянию проходов машин на подрост, оставляемый в районе движения, и визуальные наблюдения последствий поворота машин.
В процессе подготовки полигона к испытаниям на нем были выделены параллельные трассы. Длина каждой трассы составляла 100 метров. Каждая трасса разбивалась на три примерно равные участка. На первом участке осуществлялся трехкратный проход исследуемой машины, на втором машина должна была пройти шесть раз, на третьем - девять. Число проходов по каждому участку было обосновано согласно ранее проведенным исследованиям [36, 12]. В середине дистанции каждого участка были организованы измерительные пункты, обозначаемые деревянными кольями с флажками (рис. 4.4). В местах расположения мерных пунктов с трасс удалялись оставленные при рубке мелкие деревья и порубочные остатки. Таким образом, почвенная поверхность измерительного пункта до прохода машин имела вид, показанный на рис. 4.5.
С помощью горизонтальных нитей на измерительных пунктах был зафиксирован их поперечный профиль по поверхности грунта до момента прохода машин (рис 4.4 и 4.6). После этого каждая машина осуществляла проход по трассе, имитируя процесс трелевки. При этом, как было отмечено выше, на первом участке каждой трассы машина делала три прохода, на втором - шесть, а на третьем - девять. Процесс движения машин записывался на видеокамеру.
На пунктах осуществлялся замер поперечного профиля волока до и после проходов машин, проводились измерения показателей, характеризующих состояние почвы до и после прохода машин.
Как отмечалось выше, существующие отечественные ГОСТы 24953-84, 24954-84, 24955-84 и многие исследователи в качестве основного показателя воздействия машин на почвы рекомендуют применять среднее удельное давление колес или гусениц. Этот показатель и сами упомянутые ГОСТы не раз подвергались справедливой критике [15, 51, 72], поскольку, во-первых: реальные значения удельных давлений могут превышать средние в несколько раз, а во-вторых: сами методики определения удельных давлений могут различаться.
Современные исследования в области механизации сельского хозяйства [1, 12, 15, 45, 52], а также последние работы по исследованию воздействия лесных машин на почвы, выполненные Г. М. Анисимовым, Б. М. Большаковым, В. М . Котиковым, А. М . Кочневым и другими отечественными учеными [2, 3,
