на правах рукописи
ПЕЛЫМСКИЙ Александр Александрович
ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ ЛЕСОЗАГОТОВИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ
НА УКРЕПЛЕННЫЙ ПОРУБОЧНЫМИ ОСТАТКАМИ УЧАСТОК
ТРЕЛЕВОЧНОГО ВОЛОКА
05.21.01 – «Технология и машины лесозаготовок и лесного хозяйства»
автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
Санкт-Петербург 2013 год 2 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный лесотехнический университет имени С.М. Кирова»
Научный руководитель: Никифорова Антонина Ивановна, кандидат технических наук, доцент
Официальные оппоненты: Сушков Сергей Иванович, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой Промышленного транспорта, строительства и геодезии ФГБОУ ВПО «Воронежская государственная лесотехническая академия»
Коваленко Тарас Викторович, кандидат технических наук, доцент кафедры Сухопутного транспорта леса ФГБОУ ВПО «СанктПетербургский государственный лесотехнический университет имени С.М. Кирова»
Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Братский государственный университет», г. Братск
Защита диссертации состоится «13» декабря 2013 года в 13 часов на заседании диссертационного Совета Д.212.220.03 при Санкт-Петербургском государственном лесотехническом университете имени С.М. Кирова.
С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Санкт-Петербургского государственного лесотехнического университета имени С.М. Кирова.
Автореферат разослан «12» ноября 2013 года.
Ученый секретарь Бирман диссертационного Совета, Алексей Романович профессор
ВВЕДЕНИЕ
Актуальность темы исследований. В последние годы, как в нашей стране, так и за рубежом все большее внимание уделяется экологическому аспекту проведения лесозаготовок. Негативное влияние лесозаготовительной техники на лесной почвогрунт широко известно: переуплотнение, срез слоев почвогрунта лесосеки вызывают заметное снижение его качеств с точки зрения последующего лесовосстановления. Проблемой минимизации ущерба лесной экосистеме со стороны техники занимались многие отечественные ученые, данной тематике посвящен большой объем научных работ, среди них необходимо особо отметить работы Г.М. Анисимова, С.М. Базарова, Ю.А. Бита, Б.М. Большакова, Ю.Ю. Герасимова, Э.Ф. Герца, В.А.Горбачевского, И.В. Григорьева, Г.А. Давыдкова, А.В. Жукова, Д.В. Клокова, В.М.
Котикова, А.Н. Кочанова, А.М. Кочнева, В.Н. Меньшикова, А.И. Никифоровой, П.Б.
Рябухина, В.И. Скрыпника, В.С. Сюнева, М.В. Цыгаровой, А.М. Цыпука, А.Ю. Шарова, Д.И. Шеховцева и других ученых.
Несмотря на значительный объем проведенных исследований, в силу сложности и многогранности обозначенной проблемы, дальнейшие исследования в этой области по-прежнему являются востребованными.
Одним из способов решения задачи снижения экологического ущерба лесу при осуществлении заготовки древесины, вызванного движением лесозаготовительной техники, является укрепление трелевочных волоков лесосечными отходами. Этот способ представляется тем более целесообразным в свете необходимости утилизации отходов лесозаготовительного производства, что также является одной из важнейших практических задач отрасли, о чем свидетельствует значительный объем научных работ, посвященных данной тематике. Здесь необходимо отметить работы М.И. Брика, С.Б. Васильева, С.И. Головкова, А.К. Горюнова, А.А. Иванчикова, Л.И.
Качелкина, И.Ф. Коперина, В.В. Коробова, Л.В. Коротяева, Г.М. Михайлова, В.И.
Найденова, В.И. Патякина, Е.К. Пашнина, А.В. Ростовцева, Н.П. Рушнова, Н.А. Серова, В.С. Суханова, И.Р. Шегельмана и многих других ученых.
Научно обоснованное планирование организационно-технических мероприятий по укреплению трелевочных волоков лесосек невозможно без описания процесса взаимодействия лесозаготовительных машин с лесным почвогрунтом. Как показал анализ литературных источников по теме диссертации, не разработаны математические модели, в явном виде учитывающие неоднородность основания, по которому движется машина, что имеет место при работе на укрепленном участке волока. Кроме того, при разработке лесосек в сложных почвенно-грунтовых условиях (при низкой несущей способности почвогрунта) развитие деформаций основания под внешним воздействием нелинейно зависит от вызывающих их напряжений и времени воздействия со стороны движителя; исследований, проведенных в этой области, также не достаточно.
Указанное выше определяет актуальность выбранной темы диссертационных исследований.
Степень разработанности темы исследования. Диссертация представляет собой законченное научное исследование, включающее исследование состояния вопроса, формулирование цели и задач, аналитическую часть с составлением математической модели, экспериментальные исследования процесса деформирования двуслойного основания, практические рекомендации по организации мероприятий с целью снижения отрицательного воздействия на окружающую среду со стороны лесозаготовительной техники.
Методика и методы исследования. Теоретической основой исследования явились работы ведущих отечественных и зарубежных ученых по вопросам взаимодействия техники с основанием при проведении лесозаготовительных работ. В работе использованы базовые методы математического моделирования, измерения и обработки опытных данных.
Цель работы. Уменьшение экологического ущерба от воздействия лесозаготовительной техники на почвогрунт лесосеки при разработке лесосек в сложных почвенно-грунтовых условиях.
В соответствии с целью работы сформулированы следующие задачи исследований:
• построить теоретическую модель, позволяющую определить осадку укрепленного слоем измельченных порубочных остатков грунта лесосеки с низкой несущей способностью с учетом многократного прохождения техникой участка • разработать методику определения осадки двуслойного основания при работе системы лесозаготовительных машин с различным удельным давлением на грунт лесосеки и скоростью движения;
• разработать методику проведения экспериментальных исследований и сконструировать стенд для определения осадки двуслойного основания при многократном приложении нагрузки;
• провести экспериментальные исследования по изучению характера развития деформаций сжатия лесного почвогрунта во времени в зависимости от его влажности и температуры;
• провести экспериментальные исследования по определению осадки слоя лесного почвогрунта с низкой несущей способностью с учетом влияния укрепляющего слоя при циклическом нагружении;
• получить сведения об адекватности разработанных теоретических и экспериментальных моделей.
Научная новизна. Разработана и исследована математическая модель взаимодействия движителей лесозаготовительной техники с основанием, представленным почвогрунтом лесосеки с низкой несущей способностью и слоем уложенных на него порубочных остатков, устанавливающая влияние давления со стороны движителя на глубину колеи, образующейся при многократном прохождении машиной укрепленного участка трассы, влияние величины средней толщины слоя порубочных остатков, отличающаяся учетом нелинейного характера деформирования почвогрунта при циклическом воздействии на него движителя лесозаготовительной машины.
Практическая значимость результатов диссертационного исследования.
Применение результатов диссертационного исследования позволит рационально планировать организационно-технические мероприятия по укреплению трелевочных волоков слоем порубочных остатков, что снизит экологический ущерб лесной экосистеме, вызванный движением лесозаготовительной техники.
Значимость результатов диссертационного исследования для теории. Построенная нелинейная математическая модель взаимодействия лесозаготовительной машины с основанием, представленным двумя слоями, расширяет теоретические представления о процессе деформирования лесных почвогрунтов под действием движителей лесозаготовительной техники.
Разработанные автором в ходе исследований стенды для проведения экспериментальных исследований позволят в будущем расширить спектр проводимых экспериментов по изучению взаимодействия различной лесозаготовительной техники с лесными почвогрунтами.
На защиту выносятся следующие положения:
- Математическая модель процесса колееобразования при многократном прохождении лесозаготовительной машиной участка трассы с почвогрунтом с низкой несущей способностью, укрепленным слоем порубочных остатков;
- результаты экспериментальных исследований, устанавливающие развитие деформаций лесного почвогрунта во времени с учетом температуры и влажности почвогрунта;
- результаты экспериментальных исследований по определению осадки двуслойного основания, представленного слоем порубочных остатков и слоем почвогрунта лесосеки с низкой несущей способностью, при циклическом нагружении;
- методика определения приведенного давления на основание при работе системы лесозаготовительных машин с различными давлениями на грунт и скоростью движения.
Степень достоверности и апробация результатов обеспечивается применением методов математической статистики; проведением экспериментальных исследований в лабораторных условиях и подтвержденной адекватностью полученных моделей; удовлетворительной сходимостью теоретических и экспериментальных данных.
Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на: Девятой международной научно-практической Интернет-конференции «Леса России в XXI веке» и ежегодных научно-технических конференциях СПбГЛТУ в 2011-2013 гг.
Часть материалов работы получена при выполнении НИР № «Разработка теоретических основ сквозных технологических процессов и модульных систем машин лесозаготовительного производства».
Работа выполнялась в створе Перечня Приоритетных направлений развития науки, технологий и техники РФ, утвержденного Президентом РФ 07.07.11 г. (пункт «Рациональное природопользование»).
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении сформулирована актуальность темы диссертации и приведена общая характеристика работы.
1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ
Рассмотрены математические модели циклического уплотнения почвогрунта, модели деформирования двуслойного основания.Рассмотрены способы снижения экологического ущерба лесной экосистеме, возникающего при проведении лесозаготовительных работ.
Проанализировано влияние времени релаксации напряжений почвогрунта на характер развития его деформаций сжатия.
Проведен анализ путей использования отходов лесозаготовок.
2. МОДЕЛЬ ЦИКЛИЧЕСКОГО УПЛОТЕНИЯ
ДВУСЛОЙНОГО ОСНОВАНИЯ
Для построения модели использован закон распределения вертикальных напряжений сжатия (z) по глубине в следующем виде:где z – расстояние, отсчитываемое вниз по вертикали от поверхности движения, параметры J, a, D’ определяются выражениями:
где F – площадь штампа, b – ширина штампа, l – длина штампа, H – толщина деформируемого слоя, p – давление со стороны машины на грунт.
В общем виде осадка слоя грунта hгл высотой z2 – z1 (z – вертикальная координата сечения, рисунок 1) от действия нормального давления (z) находится из уравнения:
где E – модуль деформации основания.
Тогда, после подстановки (1) в (3) и интегрирования, для осадки запишем:
Предложенная модель учитывает, что по мере приближения действующих сжимающих напряжений к несущей способности грунта ps, вертикальное перемещение штампа-деформатора начинает интенсивно возрастать (происходит потеря несущей способности), поэтому для определения величины истинной деформации hг использована следующая формула:
При этом несущая способность ps основания определяется так:
где ps0 находится из формулы:
Значения параметров J1, J2 для выражения (7) определяются так:
Для расчета параметров X1, X2, X3 используют следующие формулы:
где – объемный вес грунта, C0 – внутреннее сцепление грунта, 0 – угол внутреннего трения грунта.
Поскольку рассматривается двуслойное основание (схема на рисунке 1), в выражении (2) примем H = H1 + H2:
где H1, H2 – толщина соответственно первого (верхнего) и второго слоев основания.
Рисунок 1. Схема к определению осадки двуслойного основания:
1 – слой порубочных остатков, 2 – слой грунта лесосеки В выражении (4) для пределов интегрирования нужно положить для первого слоя z1 = 0, z2 = H1 – hгл1; для второго слоя z1 = H1 – hгл1 и z2 =H2 – hгл2.
Тогда для линейной деформации первого слоя основания hгл1 можем записать:
Для линейной деформации второго слоя hгл2 также получим:
Выражения для определения несущей способности слоев примут вид:
для первого слоя:
для второго слоя:
Учтем также, что величина ps0 в уравнениях (13), (14) для слоев грунта определяется так:
для первого слоя:
для второго слоя:
Параметры X1(1), X2(1), X3(1), X1(2), X2(2), X3(2) определяются по формулам (9) после подстановки значений физико-механических характеристик слоев основания (нижний индекс в скобках соответствует номеру слоя).
Выразим hгл через hг из (5) отдельно для каждого слоя:
В итоге получим следующие уравнения:
Трансцендентные уравнения (18), (19) содержит искомые величины hг1, hг2 как в левой, так и в правой своей части, поэтому для вычислений составлена программа, реализующая численный метод решения.
При многократном проходе лесозаготовительной техники по одному и тому же участку волока необходимо учесть изменение физико-механических свойств основания в результате предыдущего прохода машины. В предложенной модели модуль деформации E, внутреннее сцепление C0 и угол внутреннего трения 0 грунта определяются в зависимости от коэффициента пористости грунта e.
Алгоритм расчетов при реализации модели следующий:
задаемся типом грунта, его механическими свойствами (плотностью, пористостью, влажностью, влажностью на границе пластичности и раскатывания, толщиной деформируемого слоя), определяем значение модуля деформации, угла внутреннего трения и величину внутреннего сцепления;
задаемся свойствами слоя порубочных остатков, укладываемых на волок (толщиной слоя, углом внутреннего трения, сцеплением и модулем деформации);
принимаем удельное давление на грунт, параметры деформатора – ширину и длину, площадь контакта.
по формулам (8), (10), (2), (13) – (16), (9) рассчитываем величины, входящие в уравнения (18) – (19).
далее производится численное решение уравнений (18) – (20), и c использованием найденных значений hг1, hг2, hг вычисляется относительная деформация второго слоя основания (грунта) после первого прохода машины;
определяются значения физико-механических параметров слоя грунта после первого прохода машины, при этом относительная деформация определяется с использованием рассчитанной величины hг1; полученные таким образом значения модуля деформации, угла внутреннего трения и внутреннего сцепления грунта используются при определении деформации слоя грунта после следующего прохода машины;
свойства слоя порубочных остатков считаем постоянными, изменяется только его толщина (уменьшается после каждого прохода на величину hг1);
Для всех последующих проходов ход расчетов аналогичен описанному.
При проведении расчетов использовались следующие исходные данные:
F = 0,04 м2, b = 0,08 м, l = 0,5 м, H1 = 0,2 0,4 м, H2 = 0,75 м, 2(0) = 1200 кг/м3, кПа, грунт - суглинок;
Расчеты произведены при числе проходов N по трассе равном 25, основание которой представлено двумя слоями, в диапазоне давлений на грунт от 100 до кПа, результаты расчетов (глубина колеи, равная истинной деформации второго слоя основания hг2) представлены на графиках на рисунке 2.
При использовании предложенного подхода в явном виде учтено:
влияние на колееобразование толщины слоя уложенных на волок измельченных порубочных остатков;
влияние на глубину колеи изменения физико-механических свойств грунта после прохода машины.
Это, в свою очередь, позволит рассчитать достаточное для надежного укрепления волока количество укладываемых на него порубочных остатков.
По результатам аппроксимации расчетных данных, полученных по изложенному выше алгоритму, также составлено уравнение для определения относительного уплотнения слоя грунта в зависимости от давления со стороны движителя и числа проходов:
В случае, если работает пара машин, в которой удельное давление со стороны движителей различно, при расчетах в формуле (21) вместо P рекомендуем использовать значение Pприв, рассчитываемое так:
где P1 – большее по величине удельное давление; P2 – меньшее по величине давление.
Формула (21) получена путем аппроксимации расчетных значений относительного уплотнения при последовательном варьировании удельного давления за один проход машины.
3. МЕТОДИКА И АППАРАТУРА
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ
Экспериментальные исследования проводились в научной лаборатории кафедры Технологии лесозаготовительных производств СПбГЛТУ. По цели проведения экспериментальные исследования можно разделить на две части:- исследование закономерности развития деформаций сжатия лесного грунта во времени при постоянной нагрузке;
- исследование осадки штампа при взаимодействии с двуслойным основанием при циклическом характере нагружения.
Для проведения опытов по исследованию влияния температуры почвогрунта и его влажности на характер развития деформаций сжатия грунта во времени использован лабораторный стенд, схема которого представлен на рисунке 3.
Рисунок. 3. Схема экспериментального стенда Рисунок 4. Лабораторный стенд для исследопо исследованию развития деформаций лесно- вания осадки двуслойного основания при цикго грунта во времени: 1 – индикатор; 2 – рычаг; лическом нагружении: 1 – рычаг; 2 – навеска; 3 – подвеска; 4 – штамп; 5 – цилиндрическая – груз; 4 – штамп; 5 – верхний слой (щепа); 6 – форма с образцом грунта; 6 – столик; 7 - мик- слой грунта; 7 – линейки; 8 – металлическая При проведении экспериментов по определению характера развития деформаций сжатия лесного грунта во времени при действии постоянной нагрузки в качестве контролируемых независимых параметров были приняты:
- тип грунта (суглинок);
- влажность грунта на границе текучести и раскатывания (определялись как среднее значение соответствующих характеристик трех проб экспериментального грунта, в опытах равнялись соответственно WT = 50 %, WL = 20 %);
- масса и начальная плотность экспериментального грунта (масса определялась на электронных весах и составляла в среднем 100 г, плотность грунта достигалась при помощи стандартного прибора уплотнения грунта, среднее значение плотности в опытах – 1150 кг/м3);
- геометрические параметры цилиндрической формы 5 - внутренний диаметр dвнутр = 50 мм;
- вес эталонного груза p, создающего давление на образец грунта (p = 20 Н).
Основные уровни и интервалы варьирования переменных факторов в ходе исследований представлены в таблице 1.
Таблица 1. Основные уровни и интервалы варьирования факторов при исследовании развития деформаций сжатия лесного грунта во времени периментального Число повторений каждого опыта равнялось пяти (n = 5).
Выходным параметром время релаксации tp напряжений в грунте, которое определялось косвенным путем способом, изложенным ниже.
Суть экспериментов заключалась в следующем. Экспериментальный грунт заданной массы m уплотнялся в цилиндрической форме 5, после чего форма с грунтом размещалась на столике 6. Штамп 4 опускался на образец грунта, включалась видеокамера (на рисунке 3 условно не показана), затем на подвеске 3 размещался груз.
Показания микрометра фиксировались в течение 40 с, значение показаний микрометра в это время принимались за максимальные.
После расшифровки результатов видеосъемки рассчитывалось отношение показаний микрометра в определенный момент времени h(t ) к максимальному значению hmax для каждого опыта.
По полученным данным при помощи метода наименьших квадратов строились корреляционные уравнения вида:
откуда затем определялось время релаксации tp, являвшееся выходным параметром, в каждом опыте по формуле:
Далее производилась статистическая обработка рассчитанных таким образом значений времени релаксации напряжений tp и по его средним значениям t pi методом наименьших квадратов строились регрессионные зависимости в следующем виде:
где a0 – a5 – некоторые постоянные численные коэффициенты.
Схема лабораторного стенда, использованного при осуществлении экспериментов по вдавливанию штампа в двуслойное основание, представлена на рисунке 4.
Создание экспериментальной модели осуществлялось исходя из геометрического подобия следующим образом. Площадь штампа 4 составляла Fэксп = 0,08 м2.
Соотношение сторон l/b = 6,25. Для перехода от толщин слоев основания и прочих линейных размеров для модели к линейным размерам по главе 2 настоящей работы, их, таким образом, необходимо умножить на коэффициент (обратный перевод осуществляется делением на коэффициент):
«