Определение осадки при движении лесозаготовительной машины по двуслойному основанию Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

Аннотация научной статьи по механике и машиностроению, автор научной работы — Никифорова Антонина Ивановна, Хитров Егор Германович, Пелымский Александр Андреевич, Григорьева Ольга Ивановна

Известен способ укрепления трелевочных волоков порубочными остатками с целью снижения экологического ущерба почвогрунту лесосеки, вызванного движением лесозаготовительной техники. Однако известные модели взаимодействия машины и лесного почвогрунта не достаточно полно раскрывают влияние различия физико-механических свойств слоя порубочных остатков и слоя грунта лесосеки, а также их изменение, вызванное уплотнением после прохода машины. В статье рассмотрено взаимодействие лесозаготовительной машины с основанием, состоящим из двух слоев: слоя измельченных порубочных остатков (верхний слой) и слоя грунта лесосеки (нижний слой). Предложена модель колееобразования , в явном виде учитывающая влияние различия физико-механических характеристик слоев основания, а также изменение свойств грунта после прохода машины. Рассмотрен алгоритм расчета глубины колеи при многократном прохождении техники по участку трассы и пример расчета глубины колеи после 25 проходов машины по трассе при варьировании удельного давления со стороны машины на основание и толщины слоя уложенных на него порубочных остатков .

TWO-LAYER GROUND DRAUGHT DEFINITION UNDER LOGGING MACHINE PASSAGE

A method to strengthen skid trails with logging waste to reduce environmental damage to soil and ground caused by the logging machine passage is well known. However, exciting models of machines and forest soils’ interaction do not adequately reveal the impact of differences in physical and mechanical properties on the logging waste layer and cutting area of the soil layer. The depth of its change caused by compression after machine’s passage is not disclosed eihter. The paper considers interaction between two layers: a layer of shredded logging waste (top layer) and the soil layer of cutting area (bottom layer). Further, we describe a model of rutting that explicitly takes into account the effect caused by differences in physical and mechanical characteristics of the base layers and the change in soil characteristics after machines’ passage. The algorithm calculating the gauge depth after machines’ multiple passages is discribed. The article ends with an example of the rut depth calculation model for 25 machine passages. The study involves cases with variable volumes of pressure exercised by logging machines on the base and thickness of the logging waste layers.

Текст научной работы на тему «Определение осадки при движении лесозаготовительной машины по двуслойному основанию»

УЧЕНЫЕ ЗАПИСКИ ПЕТРОЗАВОДСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО УНИВЕРСИТЕТА

Март, № 2 Технические науки 2014

АНТОНИНА ИВАНОВНА НИКИФОРОВА

кандидат технических наук, доцент кафедры технологии лесозаготовительных производств, Санкт-Петербургский государственный лесотехнический университет им. С. М. Кирова (Санкт-Петербург, Российская Федерация) tlzp@inbox.ru

ЕГОР ГЕРМАНОВИЧ ХИТРОВ

аспирант кафедры технологии лесозаготовительных производств, Санкт-Петербургский государственный лесотехнический университет им. С. М. Кирова (Санкт-Петербург, Российская Федерация) yegorkhitrov@gmail. com

АЛЕКСАНДР АНДРЕЕВИЧ ПЕЛЫМСКИЙ аспирант кафедры технологии лесозаготовительных производств, Санкт-Петербургский государственный лесотехнический университет им. С. М. Кирова (Санкт-Петербург, Российская Федерация) tlzp@inbox.ru

ОЛЬГА ИВАНОВНА ГРИГОРЬЕВА

доцент кафедры лесоводства, Санкт-Петербургский государственный лесотехнический университет им. С. М. Кирова (Санкт-Петербург, Российская Федерация) tlzp@inbox.ru

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОСАДКИ ПРИ ДВИЖЕНИИ ЛЕСОЗАГОТОВИТЕЛЬНОЙ МАШИНЫ ПО ДВУСЛОЙНОМУ ОСНОВАНИЮ

Известен способ укрепления трелевочных волоков порубочными остатками с целью снижения экологического ущерба почвогрунту лесосеки, вызванного движением лесозаготовительной техники. Однако известные модели взаимодействия машины и лесного почвогрунта не достаточно полно раскрывают влияние различия физико-механических свойств слоя порубочных остатков и слоя грунта лесосеки, а также их изменение, вызванное уплотнением после прохода машины. В статье рассмотрено взаимодействие лесозаготовительной машины с основанием, состоящим из двух слоев: слоя измельченных порубочных остатков (верхний слой) и слоя грунта лесосеки (нижний слой). Предложена модель колееобразования, в явном виде учитывающая влияние различия физико-механических характеристик слоев основания, а также изменение свойств грунта после прохода машины. Рассмотрен алгоритм расчета глубины колеи при многократном прохождении техники по участку трассы и пример расчета глубины колеи после 25 проходов машины по трассе при варьировании удельного давления со стороны машины на основание и толщины слоя уложенных на него порубочных остатков.

Ключевые слова: грунт, колееобразование, циклическая нагрузка, многослойное основание, порубочные остатки

В последние годы в России все большее внимание уделяется экологическому аспекту проведения лесозаготовок [2]. Негативное влияние лесозаготовительной техники на лесной почвогрунт широко известно: переуплотнение, срез слоев почвогрунта лесосеки вызывают заметное снижение его качеств с точки зрения последующего лесовосстановления. Сохранение плодородия лесных почв является одним из магистральных направлений научно-технического прогресса в лесозаготовительном производстве [2].

Одним из путей решения задачи снижения экологического ущерба лесу, вызванного движением лесозаготовительной техники при осуществлении заготовки древесины, является укрепление трелевочных волоков лесосечными

отходами. Этот способ представляется более целесообразным в свете необходимости утилизации отходов лесозаготовительного производства, что также является одной из важнейших практических задач отрасли [3].

Научно обоснованное планирование организационно-технических мероприятий по укреплению трелевочных волоков лесосек невозможно без четкого описания процесса взаимодействия лесозаготовительных машин с лесным почвогрунтом, при этом одной из главных характеристик процесса является глубина образующейся при проходе машины колеи [2].

Как показал анализ литературных источников обозначенной тематики, вопрос колееобразования при многократном проходе машины по участку трассы изучен недостаточно [3], [4].

А. И. Никифорова, Е. Г. Хитров, А. А. Пелымский, О. И. Григорьева

В частности, отсутствуют математические модели, в явном виде учитывающие неоднородность основания, по которому движется машина, что имеет место при работе на укрепленном порубочными остатками участке волока.

В связи с изложенным дальнейшие исследования процесса взаимодействия лесозаготовительной техники с многослойным основанием представляются актуальными. В статье рассматривается процесс колееобразования при циклическом воздействии лесозаготовительной техники на грунт лесосеки, укрепленный измельченными порубочными остатками.

ПОСТРОЕНИЕ МОДЕЛИ И ЕЕ РЕАЛИЗАЦИЯ

Для определения глубины колеи, образующейся при проходе лесозаготовительной техники по волоку, укрепленному порубочными остатками, рассмотрим уплотнение двухслойного основания под действием сжимающей нагрузки.

Для построения модели вначале зададимся законом распределения вертикальных напряжений сжатия о по глубине в следующем виде [1]:

где параметры J, a, D' определяются известными

где F - площадь штампа, b - ширина штампа, l - длина штампа, H - толщина деформируемого слоя, p - давление со стороны машины на грунт.

Известно [1], что в общем виде осадка слоя грунта высотой z2 - z1 (z - вертикальная координата сечения) от действия нормального давления о (z) может быть найдена из следующего уравнения:

Тогда, после подстановки (1) в (3) и интегрирования, для осадки можем записать:

При этом несущая способность основания определяется следующим образом:

Ps =-Ps 0П arctan

где p 0 находится из формулы [4]:

J 1Xу + J2 X2 + Xз hr.

Значения параметров J1, J2 для выражения (7) определяются так:

Для расчета параметров X, X2, X3 используют следующие формулы [1]:

где у - объемный вес грунта, C0 - внутреннее сцепление грунта, ф0 - угол внутреннего трения грунта.

Поскольку рассматривается двуслойное основание (схема на рис. 1), в выражении (2) примем

где H Н2 - толщина соответственно первого (верхнего) и второго слоев основания.

Рис. 1. Схема к определению осадки двуслойного основания: 1 - слой измельченных порубочных остатков,

2 - слой грунта лесосеки

arctan \ I - arctan I Zl

Необходимо учесть, что по мере приближения действующих сжимающих напряжений к несущей способности грунта ps вертикальное перемещение штампа-деформатора начинает интенсивно возрастать (потеря несущей способности) [1], поэтому для определения величины истинной деформации hr используем формулу:

В выражении (4) для пределов интегрирования нужно положить для первого слоя z1 = 0, z2 = H1 - hra1; для второго слоя z1 = H1 - hra1,

Тогда для линейной деформации первого слоя основания h можем записать:

Определение осадки при движении лесозаготовительной машины по двуслойному основанию

Для линейной деформации второго слоя hra2 также получим:

Выражения для определения несущей способности слоев примут вид: для первого слоя:

1 2 . П(Я1 - hrl) (13)

Psl = ^ Ps0in arCtan 2 b

для второго слоя:

При многократном проходе лесозаготовительной техники по одному и тому же участку волока необходимо учесть изменение физикомеханических свойств основания в результате предыдущего прохода машины [3].

В работе [5] предлагается определять модуль деформации E, внутреннее сцепление С0 и угол внутреннего трения ф0 грунта в зависимости от его коэффициента пористости е.

Для учета изменения пористости грунта после уплотнения примем зависимость физико-механических характеристик грунта в следующем виде:

ps2 = 4ps02п arctan

Учтем также, что величина ps0 в уравнениях (13), (14) для слоев грунта определяется так: для первого слоя:

Ps01 = J1 X1(1) + J2X2(1) + ^(Г^гЬ (15)

для второго слоя:

Ps 02 J1 X1(2) + J2 X2(2) + X3(2)hr2. (16)

Параметры Xl(l), X3(1), X1(2)P X2(2), X3(2) опре-

деляются по формулам (9) после подстановки значений физико-механических характеристик слоев основания (нижний индекс в скобках соответствует номеру слоя).

📎📎📎📎📎📎📎📎📎📎