Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Состояние вопроса и задачи исследования 11
1.1. Становление и развитие механизации на лесозаготовительных работах 11
1.2. Состояние лесной техники 15
1.3. Понятие проходимости 19
1.4. Обзор исследований проходимости лесных машин 20
1.5. Показатели и параметры проходимости лесных машин 26
1.5.1. Геометрические параметры проходимости 26
1.5.2. Опорно-сцепные показатели проходимости 28
1.5.2.1. Коэффициент сцепления движителя с почвогрунтом 28
1.5.2.2. Давление движителя на почвогрунт 28
1.5.2.3. Трансмиссии 32
1.5.2.4. Шарнирное соединение 35
1.5.2.5. Подвески колёс 35
1.5.2.6. Шины 37
1.5.3. Тяговые параметры про ходимости 40
1.5.3.1. Условие движения лесной машины 40
1.5.3.2. Энергонасыщенность трелёвочного трактора 40
1.6. Происхождение и общая классификация почв и грунтов 41
1.7. Физико-механические свойства почв и грунтов 47
1.7.1. Влажность 47
1.7.2. Сопротивление почвы сдвигу 47
1.7.3. Пластичность 49
1.7.4. Плотность 52
1.7.5. Водопроницаемость 54
1.7.6. Модули деформации и упругости почвы 58
1.8. Влияние природно-производственных условий на лесозаготовительные работы 58
1.9. Особенности заготовки древесины в России 68
1.10. Способы повышения эксплуатационной и экологической эффективности лесозаготовительного производства на переувлажнённых почвогрунтах 72
1.11. Оценка уплотняющего воздействия лесных машин на почву 76
1.12. Распределение напряжения в почвогрунте от действия неравномерной нагрузки 80
1.13. Особенности деформации почвогрунта гусеничным движителем 84
1.14. Факторы, определяющие глубину колеи 87
1.15 Выводы по главе 1 92
1.16. Задачи исследования 93
ГЛАВА 2. Математическая модель процесса колееобразования при работе гусеничных лесных машин с учетом неоднородности массива почвогрунта 95
Выводы по главе 2 110
ГЛАВА 3. Методика и аппаратура экспериментальных исследований 111
3.1. Объекты и условия проведения экспериментальных исследований 111
3.2. Определение необходимого числа наблюдений и повторений опыта 114
3.3. Определение границы текучести и границы раскатывания лесной почвы 120
3.4. Исследование влияния влажности на внутреннее сцепление и трение частиц почвы 123
3.5. Определение максимальной плотности, оптимальной влажности и осадки лесной почвы 125
3.6. Определение модулей деформации и упругости почвы и грунта 128
3.7. Определение водопроницаемости лесной почвы в зависимости от её плотности 130
3.8. Исследование изменения расхода топлива трактора в зависимости от глубины колеи 134
3.9. Выводы по главе 3 136
ГЛАВА 4. Результаты экспериментальных исследований 137
4.1. Результаты исследований по определению границы текучести и границы раскатывания лесной почвы 137
4.2. Результаты экспериментальных исследований влияния влажности на внутреннее сцепление и трение частиц почвы 139
4.3. Результаты исследований по определению максимальной плотности, оптимальной влажности и осадки лесной почвы 143
4.4. Результаты исследований по определению модулей деформации и упругости почвы и грунта 148
4.5. Результаты исследований по определению водопроницаемости лесной почвы в зависимости от её плотности 151
4.6. Результаты исследований по определению изменения расхода топлива трактора в зависимости от глубины колеи 153
4.7. Рекомендации по минимизации экологического ущерба от воздействия лесных машин 160
4.8. Выводы по главе 4 163
Общие выводы и рекомендации 164
Список литературы
- Показатели и параметры проходимости лесных машин
- Влияние природно-производственных условий на лесозаготовительные работы
- Определение необходимого числа наблюдений и повторений опыта
- Результаты исследований по определению модулей деформации и упругости почвы и грунта
Показатели и параметры проходимости лесных машин
Техническая оснащённость лесного комплекса в последние годы постоянно снижается, и в настоящее время находится на уровне 60-х годов, парк основных машин катастрофически стареет и составляет 50 – 60% от нормативного, низкий технический уровень многих производственных операций, физический и моральный износ лесной техники [32, 25].
В последние годы лесной комплекс, в общем, и лесозаготовительные предприятия, в частности, функционируют в условиях низкой технической оснащённости [85]. Только за период 1990-2007 гг. по лесопромышленному комплексу России более чем в два раза уменьшился коэффициент обновления основных промышленно-производственных фондов и одновременно в 1,5 раза возрос коэффициент выбытия. В связи с ограниченностью платёжеспособного спроса предприятий значительно сократился уровень производства техники. Особенно велика изношенность основных фондов в лесозаготовительной промышленности, которая составляет 59,4% [23]. Мировой финансовый кризис 2008 года привёл к резкому сокращению спроса на лесобумажную продукцию, и, как следствие, сокращению объёмов лесозаготовок и снижению платежёспособности лесопользователей, что привело к падению спроса на высокопроизводительные и эффективные системы машин для комплексной машинизации лесозаготовительных работ и, как следствие, к сокращению и прекращению их выпуска отечественными заводами лесного машиностроения [95].
Анализ структуры материальных затрат в лесозаготовительной промышленности показал, что в последние годы значительно увеличились затраты на топливо, работы и услуги по поддержанию транспортных и технологических машин в работоспособном состоянии. Во многом это связано со старением парка лесных машин [46, 88]. К примеру, эксплуатируемый в промышленности парк сучкорезных машин устарел. Около 70% машин эксплуатируются свыше 5 лет и только около 10% – менее 3 лет [24].
Из-за отсутствия собственных средств в последние годы практически не проводилось технического обновления парка лесной техники отечественного производства. В возрастной структуре действующего парка лесосечных и транспортных машин (таблица 1.1) более 60% занимает полностью амортизированная техника, которая в соответствии с действующими нормативными документами должна быть списана [22, 75, 86].
До конца 90-х годов прошлого столетия производством специализированной машиностроительной продукции для ЛПК были заняты более 130 предприятий семи министерств. По данным на 2007 год в России созданием и производством лесной техники было занято около 30 предприятий.
К настоящему времени состав производителей значительно изменился. Практически все машиностроительные заводы из стран СНГ и ряд российских заводов закрылись или прекратили выпуск продукции для ЛПК [120]. В результате снижения объемов лесозаготовок и падения спроса на лесозаготовительную технику, заводы лесного машиностроения находятся в тяжёлом состоянии, производство отечественных лесных машин снизилось в
Динамика производства лесных машин в постсоветский период, до мирового экономического кризиса представлена в таблице 1.2 [5]. Таблица 1.2 – Производство лесных машин в Российской федерации Год 1991 2004 2005 2006 2007 2008 Производство машин, штук 14870 620 647 745 919 451 Исследования [57, 125] показывают, что создание и использование универсальных машин (валочно-сучкорезно-раскряжёвочных, валочно трелёвочных) по основным технико-экономическим параметрам (производительности, энергоёмкости, себестоимости и др.) превышают показатели однооперационных машин (валочных, трелёвочных, сучкорезных) на 16-21%. Например, создание машины ЛЗ-3 для осуществления комплекса лесосечных работ позволит обеспечить рост производительности труда на 39% и снизить себестоимость заготовленной древесины на 20%. Таким образом, сокращение парка лесных машин отечественного производства приводит к увеличению внедрения иностранной техники.
Основная причина кроется в отставании технических характеристик, качества, надёжности, эргономики и функциональных возможностей отечественной техники от зарубежных аналогов. Кроме того, отечественная лесная техника создавалас ь для сложившейся технологии заготовки и вывозки древесины в хлыстах на традиционные нижние склады для последующей их раскряжевки с целью реализации в круглом виде и (или) дальнейшей обработки в деревообрабатывающих цехах предприятия. Объём работ по такой технолог ии составлял более 80% от общего объёма лесозаготовок. Даже новая лесная техника отечественного производства не всегда пользуется спросом из-за недоверия потребителей к качеству машин и отсутствия сервисного обслуживания в течение жизненного цикла. Зарубежные производители предлагают широкий модельный ряд аналогичной и модернизированной техники для любых природно-производственных условий России при высоком качестве, эргономике, организации обеспечения запасными частями и компьютеризации процесса работы [4, 75, 78, 138, 143].
Предлагаемая зарубежная техника (харвестеры и форвардеры) ориентирует предприятия на переход от традиционной хлыстовой заготовки древесины на сортиментную, упраздняются нижнескладские операции и оборудование [98, 59, 60, 100].
За период 2005–2009 гг. импорт лесной техники составил 3354 единиц, в том числе для хлыстовой технологии (валочно-пакетирующая машина + скиддер) закуплено порядка 735 единиц и сортиментной технологии (харвестер + форвардер) 2619 единиц (22 и 78% соответственно) тракторов и машин. Основными импортерами лесных машин являются фирмы John Deere, Ponsse, Valmet [122].
Влияние природно-производственных условий на лесозаготовительные работы
Лесной почвогрунт – это сложная многослойная система, состоящая из нескольких органических слоёв и одного или нескольких минеральных слоёв, с которыми одновременно взаимодействуют движители лесных машин [139].
При эксплуатации лесной техники, тяговых расчётах, определении проходимости принято рассматривать воздействие машин на почвенно-грунтовые условия без разделения на грунты и почвы. Различие между грунтами и почвами является условным. Грунты в грунтоведении рассматриваются как строительный материал или дорожное основание, при этом почвенный горизонт называется растительным слоем грунта. В почвоведении, наоборот, рассматривается в основном почвенный горизонт с точки зрения его биологических свойств, а грунт считается минеральной основой. Лесосека представляет особый случай, когда несущий слой, на котором работают машины, разделить на грунты и почву невозможно. При многократном проходе лесосечной машины движитель может прорезать почвенный слой, и колея углубится до грунта. Следовательно, в дальнейшем под термином почвы будем понимать почвогрунты, так как при многократном проходе трелёвочного трактора по волоку движитель может взаимодействовать со смесью почвы с грунтом.
Грунтами называют поверхностные горные породы, подвергающиеся воздействию внешних природных факторов, вызывающих физическое и химическое выветривание, таких как водная эрозия, воздушное разрушение и температурное воздействие [130].
Грунты подразделяются на скальные и нескальные. Скальные грунты – магматические, метаморфические и осадочные породы с жёсткой связью между минералами или зёрнами, залегающие в виде сплошного массива или трещиноватого слоя. Нескальные горные породы подразделяют на крупнообломочные, песчаные и глинистые грунты. По характеру связей между частицами грунты подразделяют на несвязные (песок, гравий, щебень) и связные (глинистые, лёссовые грунты) [8].
Наиболее полное определение понятия почвы дал Н. А. Качинск ий [61], который предложил под почвой понимать поверхностные слои горных пород, переработанные и изменённые совместным действием света, тепла, воздуха, воды, растительных и животных организмов. Горная порода, из которой образовалась почва, называется почвообразующей или материнской породой. Почву изучают несколько научных дисциплин: агрономия, почвоведение, механика почв. С агрономических позиций почва обладает потенциальным плодородием и обеспечивает произрастание растений. С инженерных позиций, изучаемых в механике почв, почва обладает рядом механических свойств, обеспечивающих её прочность и сопротивляемость механическому воздействию со стороны движителей машин.
Некоторые механические и физические свойства почвы, особенно свойства глинистых почв подобны свойствам грунтов, изучаемых в строительной механике грунтов. Поэтому ряд закономерностей поведения грунтов под нагрузкой могут быть использованы для описания поведения почвы под нагрузкой [131].
Почва в естественном состоянии представляет собой полидисперсную систему, состоящую из смеси трех фаз: твёрдых частиц, образующих её «скелет», почвенной воды и почвенных газо в. Все физические и механические свойства почвы определяются соотношением этих трёх фаз. Кроме указанных трёх ф аз почва содержит многочисленную живую среду — микрофлору. Твёрдые частицы состоят из минеральных и органических веществ. Минеральные частицы находятся в виде осколков горных пород и минералов (кварца, полевого шпата, слюды и др.), а также аморфных органоминеральных соединений (монтмориллониты, каолиниты, соли кальция, натрия, железа и т.п.) [15]. К твёрдым частицам относится гумус, который образуется в результате гумификации продуктов разложения органических остатков. Гумус составляет 85-90% органического вещества в почве и в значительной степени определяет её плодородие и содержит основные элементы питания, которые с помощью микроорганизмов переходят в доступную форму для растений. Гумус и минеральные коллоиды способствуют образованию структуры почвы и определяют её физические свойства, а также тепловой, водный и воздушный режимы. Под действием гумуса, коллоидов, а также поверхностных и электрохимических сил твёрдые первичные частицы способны «склеиваться» и слипаться, образуя структурные агрегаты: микроагрегаты (размером 0,25 мм) и макроагрегаты (размером более 0,25 мм). Между структурными агрегатами имеются пустоты - поры, занятые водой и воздухом. Объём пустот, занятых водой и воздухом образует скважность (порозность) почвы. Следовательно, почва является пористым телом [102]. Различают капиллярные и некапиллярные поры.
Некапиллярные поры – это промежутки между почвенными агрегатами и отдельными комочками. Они имеют относительно крупные размеры и не задерживают дождевые и талые воды, обеспечивают свободную аэрацию почвенного и атмосферного воздуха. Капиллярные поры располагаются внутри структурных агрегатов и почвенных комков. Они имеют очень малые размеры, поэтому удерживают поступающую воду, но легко поднимают воду из нижних горизонтов, способствуя её испарению [112].
Почвы классифицируют по генетическому типу (генезис – происхождение) и по механическому составу. В результате длительного почвообразовательного процесса материнская горная порода расчленяется на генетические горизонты почвы, различающиеся своими морфологическими (внешними), физико-механическими и коллоидно-химическ ими свойствами. Основные генетические типы почв располагаются зонально по земной поверхности. На Европейской равнине типы почв располагаются широтными полосами или зонами: на севере расположены зоны тундровых почв, южнее – подзолистые, дерново-подзолистые почвы. Ещё южнее – черноземные, каштановые, горные, степные и пустынные почвы [102].
Наиболее широко применяется классификация почв по механическому составу [61]. Под механическим составом понимают количественное содержание твёрдых частиц в объёме почвы. В зависимости от размеров твёрдые частицы подразделяют на каменистые включения (размеры частиц более 1 мм) и мелкозем. Классификация твёрдых частиц по их крупности дана в таблице 1.7 [130].
Каменистая почва (размер частиц больше 3 мм состоит из обломков горных пород и минералов. В крупной пыли (0,05 - 0,01 мм) содержится в большом количестве кварц, полевой шпат, в средней пыли (0,01 - 0,005 мм) содержатся аморфные соединения. Мелкая пыль (0,005-0,001 мм) является переходной к илистой фракции. Ил - почвенные частицы размером менее 0,001 мм. В иле и пыли содержится наиболее ценная часть почвы - окислы железа, алюминия, марганца, каолин, гумусовые вещества, фосфаты и др.
Определение необходимого числа наблюдений и повторений опыта
Систематическими называются погрешности, постоянные по численному значению и знаку или меняющиеся по определённому закону. Эти погрешности присущи данному прибору и вызваны чаще всего неправильной установкой прибора, неправильной градуировкой его или нарушением правильного режима работы прибора (температуры, влажности и т.д.). Влияние систематических погрешностей на результат измерения исключается путём введения соответствующих поправок, найденных опытным путём.
Случайными погрешностями называются неопределённые по своей величине, знаку и происхождению погрешности, в появлении каждой из которых не наблюдается какой-либо закономерности. Их оценивают по данным многократных наблюдений методами математической статистики.
Промахами называются крупные грубые ошибки, явно искажающие результат измерения. К промахам относятся, например, неправильный отсчёт по шкале прибора, ошибка при записи отсчёта и т.д. Результаты наблюдений, содержащие промахи, должны быть отброшены.
Точность измерений характеризуется абсолютной АX = X — X или Важное значение в экспериментальных исследованиях имеет обоснование минимальной длины мерного участка волока и длительность испытаний, которые необходимы для получения достоверных результатов. Необоснованное увеличение длинны мерного участка возможно и приведёт к некоторому повышению достоверности данных, но вместе с тем, возрастёт продолжительность испытаний, время и трудоёмкость обработки экспериментального материала. Кроме того, увеличение длинны мерного участка при испытаниях трелёвочных тракторов может нарушить технологический процесс, принятый лесозаготовительной бригадой, за счёт искусственного увеличения длины волока. В свою очередь, это может привести к нарушению лесоводственных требований, что приведёт к применению штрафных санкций со стороны лесничества к лесозаготовительному предприятию [10]. В литературных источниках длину мерного участка волока рекомендуется принимать от 100 метров и выше [11, 121].
Для обеспечения надёжности результатов эксперимента необходимо определить минимальное количество опытов. В практике экспериментальных работ принимают вероятность Р = 0,95. Количество измерений определяется по формуле [1, 6, 111]: вероятности Р и объёму выборки и, приводимых в справочниках по статистике.
Для определения количества измерений глубины колеи, образовавшейся поле прохода лесной машины, необходимо провести пробные замеры. Перед началом проведения эксперимента было сделано 20 пробных измерений, по которым были определены статистические характеристики и количество необходимых опытов. При доверительной вероятности Р = 0,95, объём выборки «=20, t(\9; 0,95)=2,09. Статистическая обработка результатов предварительных испытаний по определению глубины колеи представлена в таблице 3.2.
Инструментальная ошибка зависит от класса прибора и диапазона измерения. Для технических весов разных классов точности ошибка взвешивания колеблется в диапазоне 0,1 - 0,5%. Ошибка при вычислении объёма 0,5%, тогда ошибка определения плотности почвы составит от 0,2 до 1%. Погрешность ситового разделения фракций агрегатов почвы и ошибка определения а, в среднем составляет 3%.
Исследования по определению границы текучести и границы пластичности лесной почвы проводились в лабораторных условиях, по методике, приведённой в ГОСТ 5180-84 [37]. Целью исследования является определение нижнего и верхнего предела пластичности почвы и числа пластичности.
Для лабораторных испытаний с лесосеки были взяты десять проб почвы. Для получения достоверного результата с вероятностью 0,95 достаточно провести восемь опытов. Для получения более точного результата поводилось 10 опытов.
Доля крупных корней (диаметром от 2 до 5 мм) составляет 14%. Доля мелких корней (диаметром до 2 мм) составляет 30%. Остальную массу составляет дерново-подзолистая среднесуглинистая почва.
Образцы почвы помещались в сушильный шкаф, где высушивались до постоянной массы при температуре 105 С.
Для определения границы текучести и границы пластичности лесной почвы использовались следующие приборы и оборудование : прибор А. М. Васильева (рисунок 3.2), секундомер, сито с размером отверстий 1 мм, фарфоровая ступка с пестиком, эксикаторы, фарфоровая чашка, шпатель, сушильный шкаф.
Результаты исследований по определению модулей деформации и упругости почвы и грунта
Наливалась вода в цилиндр до верхней риски, расположенной на высоте 200 мм и записывалось время, за которое понизится уровень воды в пьезометре от 0 до 50 мм. Испытания повторялись четыре раза, после чего рассчитывалось среднеарифметическое значение времени фильтрации (фшьтр. ср).
Для уменьшения времени испытания возможно увеличение напора в два раза. В этом случае градиент напора 1 = 2. Для этого цилиндр извлекался из стакана и ставился непосредственно в поддон. Первоначальный напор воды в приборе (h0) то есть разность уровней воды в трубке и стакане определяется как:
Исследования по определению расхода топлива в зависимости от глубины колеи проводились на лесосеке, находящейся в квартале № 95 Морозовского лесничества во Всеволожском районе Ленинградской области. В эксперименте использовался гусеничный трактор ДТ-75. В таблице 3.8 представлены его технические характеристики.
Для многократных проходов гусеничного трактора ДТ-75 был выбран прямолинейный участок длиной 100 метров. Трасса была разбита на пикеты через 25 метров, в которых проводились измерения глубины колеи.
Для измерения расхода дизельного топлива использовался мерный цилиндр. В крышке цилиндра сделано отверстие для топливного шланга. Мерный цилиндр служил вместо топливного бака и устанавливался в кабине трактора (рисунок 3.7).
Габаритные размеры, мм:длинаширинавысота 3480 1890 2650 Глубина колеи измерялась линейкой, время с помощью секундомера. Трактор двигался на первой передаче. На основании полученных данных средняя скорость трактора составила 3 км/ч (0,83 м/с).
Результаты экспериментальных исследований влияния влажности на внутреннее сцепление и трение частиц почвы Результаты исследований по определению влияния влажности на внутреннее трение и сцепление частиц почвы представлены в таблице 4.2.
Для определения вида аппроксимирующего выражения и величины достоверности аппроксимации (R2) использовалась программа Excel. Результаты обработки эксперимента представлены в таблице 4.3.
Из графиков, представленных на рисунке 4.2 а и рисунке 4.3 а для почвы можно выделить три ярко выраженные области: Область № 1 (влажность почвы от 0 до 40%). Почва в этой области находится в упруго-вязком и пластичном состоянии. Графики в данной области представляют собой линейную зависимость. Область № 2 (влажность почвы от 40 до 50 %). Область № 2 является границей перехода из упруго-вязкого и пластичного состояния почвы в текучее состояние. Область № 3 (влажность почвы более 50%). В области № 3 почва находится в текучем (переувлажнённом) состоянии. На рисунке 4.2 а график представляет собой параболическую зависимость, которая указывает на резкое уменьшение внутреннего сцепления частиц почвы от влажности, а на рисунке 4.3 а график представляет собой линейную зависимость. На рисунках 4.2 б и 4.3. б графики описываются линейной функцией. На основании полученных экспериментальных данных были сделаны следующие выводы:
1. Чем меньше влажность почвы, тем большие нагрузки она способна выдерживать. При увеличении влажности на 75% сдвигающая нагрузка уменьшается на 40 кПа.
2. Из графика, представленного на рисунке 4.2 а, видно, что значения величины внутреннего сцепления частиц почвы (с) колеблются в диапазоне 0,01-0,04 МПа и обуславливаются корневым армированием почвы. С увеличением влажности сила сцепления частиц уменьшается.
3. Из графика, представленного на рисунке 4.3 а, видно, что при увеличении влажности, угол внутреннего трения ((р) уменьшается.
4. Зависимости сопротивления почвы сдвигу от вертикальной нагрузки, представленные на рисунке 4.1, описываются линейной функцией. Величина достоверности аппроксимации близка к единице, что свидетельствует о хорошей сходимости линейной модели с полученными экспериментальными данными.
