Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Современное состояние функционирования лесотранспортных сетей многолесных регионов 15
1.1 Природно-климатические и лесорастительные особенности многолесных регионов 15
1.2 Особенности эксплуатации лесовозных автомобильных дорог многолесных регионов 19
1.3 Транспортно-эксплуатационные показатели лесотранспортных путей.. 29
1.4 Особенности транспортно-эксплуатационных качеств снежной поверхности зимних лесотранспортных путей многолесных регионов 38
1.5 Оценка негативных экологических последствий при эксплуатации лесотранспортных сетей 47
1.6 Функционирование региональной лесотранспортной сети как элемента системы устойчивого лесоуправления 56
1.7 Анализ устойчивости функционирования региональной лесотранспортной сети 64
1.8 Постановка цели и задач исследования 75
Глава 2 Разработка методов повышения технологической и эксплуатационной устойчивости конструктивных слоев дорожных одежд лесовозных автомобильных дорог из местных материалов 77
2.1 Определение структурных связей в щебеночных материалах оснований и покрытий лесовозных автомобильных дорог 77
2.2 Математическая модель формирования уплотненного слоя щебеночных оснований и покрытий лесовозных автомобильных дорог 86
2.3 Результаты моделирования повышения технологической эффективности и эксплуатационной устойчивости конструктивных слоев дорожных одежд лесовозных автомобильных дорог из местных материалов 96
Выводы по второй главе 100
Глава 3 Разработка основных принципов повышения транспортно эксплуатационного качества зимних лесовозных дорог применительно к многолесным регионам 102
3.1 Требования к транспортно-эксплуатационному состоянию зимних лесовозных автомобильных дорог 102
3.2 Основы теории движения лесовозных автомобильных поездов по снежному покрову, находящемуся на проезжей части лесовозных автомобильных дорог
3.3 Математическая модель деформации снежного покрова малой толщины при движении лесовозных автопоездов 110
3.4 Нормирование толщины уплотненного снежного покрова на проезжей части лесовозных автомобильных дорог 122
Выводы по третьей главе 135
Глава 4 Разработка методов оценки взаимодействия колесно-гусеничных транспортных систем с элементами пути первичного лесотранспорта 137
4.1 Общие положения взаимодействия лесотранспортных систем с элементами пути первичного лесотранспорта 137
4.2 Разработка математической модели взаимодействия колесно-гусеничной транспортной системы с элементами пути первичного транспорта леса 141
4.2.1 Особенности представления колесно-гусеничной транспортной системы в математической модели 141
4.2.2 Особенности перемещения лесотранспортных машин с колесно-гусеничными транспортными системами по элементам пути первичного транспорта леса 146
4.2.3 Определение деформации дорожной поверхности при взаимодействии с ней колесно-гусеничной транспортной системы
4.2.4 Математическая модель взаимодействия колесно-гусеничной транспортной системы с лесными слабонесущими грунтами 154
4.2.5 Математическая модель взаимодействия колесно-гусеничного ходового устройства лесотранспортных машин со снежной поверхностью зимних путей транспорта леса 161
4.3 Разработка методики имитационного моделирования взаимодействия
лесотранспортной системы с лесными слабонесущими грунтами 170
4.4 Результаты моделирования взаимодействия лесотранспортной
системы со снежной поверхностью зимних дорог 184
Выводы по четвертой главе 186
Глава 5 Математическая модель взаимодействия лесотранспортной машины с поверхностью лесовозной дороги 189
5.1 Определение критериев в математической модели динамических колебаний корпуса колесной лесотранспортной системы 189
5.2 Разработка математической модели взаимодействия
лесотранспортной машины с поверхностью лесовозной дороги, с учетом динамических колебаний корпуса и ходовой части 196
5.3 Результаты имитационного моделирования взаимодействия лесотранспортной машины с поверхностью лесовозной дороги 211
5.4 Разработка методики моделирования ходовых частей лесотранспортных систем, ведущей к повышению транспортно-эксплуатационного качества лесовозных автомобильных дорог 217
Выводы по пятой главе 231
Глава 6 Экспериментальные исследования лесовозных автомобильных дорог и элементов путей первичного транспорта леса 234
6.1 Разработка методики проведения экспериментальных исследований по обследованию щебеночных покрытий лесовозных автомобильных дорог из местных каменных материалов 234
6.2 Экспериментальные исследования транспортно-эксплуатационного состояния зимних лесовозных автомобильных дорог в условиях многолесных регионов 244
6.3 Экспериментальные исследования влияния колесно-гусеничных лесотранспортных систем на пути первичного лесотранспорта в различных эксплуатационных условиях 249
6.3.1 Экспериментальные исследования влияния лесотранспортных систем на лесные слабонесущие грунты в многолесных регионах.. 249
6.3.2 Методика проведения лабораторных исследований по влиянию колесно-гусеничных лесотранспортных систем на дорожные поверхности лесотранспортных путей 255
6.3.3 Экспериментальные исследования влияния колесно-гусеничных лесотранспортных систем на снежную поверхность первичной сети дорог 262
6.4 Разработка метода оценки транспортно-эксплуатационного состояния зимних путей первичного лесотранспорта 266
Выводы по шестой главе 270
Основные выводы и рекомендации 274
Библиографический список
- Функционирование региональной лесотранспортной сети как элемента системы устойчивого лесоуправления
- Математическая модель формирования уплотненного слоя щебеночных оснований и покрытий лесовозных автомобильных дорог
- Математическая модель деформации снежного покрова малой толщины при движении лесовозных автопоездов
- Особенности представления колесно-гусеничной транспортной системы в математической модели
Введение к работе
Актуальность темы исследования. Переход к стратегии устойчивого развития Российской Федерации и ее регионов привел к изменению отношения к ведению лесного хозяйства и лесозаготовок. Возникла система устойчивого лесо-управления, имеющая сложную структуру связей и отношений между системами: лесохозяйственных мероприятий; лесопользования; управления лесным хозяйством и охраны природы.
Подобный подход в области лесоуправления ставит новые задачи перед системой транспортного обеспечения. И это не только лесотранспортные операции в пределах лесосеки, но система путей сообщения, по которым перемещаются лесные грузы и обеспечиваются лесовосстановительные мероприятия при рациональном неистощительном природопользовании.
Одним из элементов лесотранспортной сети являются лесовозные автомобильные дороги, которые в условиях выполнения работ на арендуемых лесных участках чаще всего имеют предельно допустимые значения транспортно-эксплуатационных показателей.
Наличие сезонности в многолесных регионах оказывает существенное влияние на все виды лесотранспортных операций. В летний период до 70% всех лесных площадей имеют ограничения по проходимости лесотранспортных машин. При этом лесотранспортные операции оказывают значительное негативное влияние на лесную среду. В связи с этим более 60 % всей древесины заготавливается в зимнее время. В то же время недостаточная изученность лесотранспортных путей в зимний период создает трудности при их строительстве и эксплуатации.
Таким образом, актуальность работы состоит в разработке мероприятий по повышению транспортно-эксплуатационных качеств лесовозных автомобильных дорог и элементов лесотранспортной сети в различных сезонных условиях многолесных регионов.
Степень разработанности темы исследования. Проблемами повышения эффективности строительства и эксплуатации лесовозных автомобильных дорог и элементов сети первичного лесотранспорта занимались такие учреждения, как СПбГЛТУ, ВГЛТУ, УГЛТУ, УГТУ, ПГТУ. Разработаны вопросы проектирования и строительства лесовозных автомобильных дорог. Проведенные исследования направлены на оценку транспортных, эксплуатационных и экологических качеств лесовозных дорог. Рассмотрено влияние подвижного состава на изменение состояния покрытий дорог. Значительное количество исследований посвящено взаимодействию лесотранспортных машин с опорными поверхностями дорог первичного лесотранспорта. При этом не выработаны требования к устойчивому функционированию лесотранспортной сети в различных сезонных условиях и технологиям повышения транспортно-эксплуатационных качеств лесовозных автомобильных дорог для предприятий, работающих на арендуемых лесных участках.
В представленной диссертации обосновывается решение проблемы повышения эффективности функционирования лесотранспортной сети при освоении ле-сосырьевых баз многолесных регионов на базе научно обоснованных рекомендаций по повышению транспортно-эксплуатационного состояния лесовозных автомобильных дорог и элементов дорожной сети.
Цель исследования. Повышение эффективности функционирования лесо-транспортной сети при освоении лесосырьевых баз многолесных регионов на основе улучшения транспортно-эксплуатационных качеств лесовозных автомобильных дорог и элементов сети с учетом различных сезонных условий.
Задачи исследования:
-
Разработать теоретические принципы оценки функционирования региональной лесотранспортной сети с учетом устойчивого лесоуправления.
-
Разработать методы повышения технологической эффективности строительства и эксплуатационной устойчивости конструктивных слоев дорожных одежд лесовозных автомобильных дорог.
-
Выявить закономерности формирования уплотненного снежного покрова на покрытии и разработать методы повышения транспортно-эксплуатационного состояния зимних лесовозных автомобильных дорог применительно к многолесным регионам.
-
Разработать методики и математические модели взаимодействия колесно-гусеничных транспортных систем с элементами пути первичного транспорта леса.
-
Разработать математические модели и методику оценки транспортно-эксплуатационного состояния зимних путей первичного транспорта леса в условиях многолесных регионов.
-
Разработать математические модели взаимодействия лесотранспортной машины с поверхностью лесовозной дороги в различных эксплуатационных условиях.
-
Дать практические рекомендации по повышению транспортно-эксплуатационных качеств магистральных лесовозных автомобильных дорог.
Объект исследования: лесовозные автомобильные дороги и элементы пути первичного лесотранспорта.
Предмет исследования: дорожные покрытия лесовозных автомобильных дорог и способы их строительства, процессы взаимодействия лесотранспортных машин с грунтовыми и снежными дорожными поверхностями.
Методы исследования: системный анализ, методы дифференциального и интегрального исчисления, элементы теории графов, теории вероятности, математического и имитационного моделирования, регрессионного анализа, оптимизации, транспортно-производственного эксперимента, математической статистики.
Научная новизна работы.
1. Разработаны методика и математическая модель функционирования ре
гиональной лесотранспортной сети, отличающиеся учетом критериев неистощи-
тельного лесопользования для оценки ее эффективности с позиции устойчивого
лесоуправления.
2. Разработаны методики повышения технологической эффективности
строительства и эксплуатационной устойчивости конструктивных слоев лесовоз
ных автомобильных дорог, защищенных патентами РФ, отличающиеся учетом
прочностных свойств щебеночных материалов обеспечивающих возможность
формирования высокоплотных слоев в конструкции автомобильных дорог.
-
Разработаны методики оценки транспортно-эксплуатационного состояния зимних лесовозных автомобильных дорог, отличающие учетом степени уплотнения снежного покрова на проезжей части обеспечивающие увеличение пропускной способности транспортных путей в многолесных регионах.
-
Разработаны методики и математические модели процессов взаимодействия колесно-гусеничных транспортных систем с элементами дорожных конструкций, отличающиеся учетом эксплуатационных параметров дорог, обеспечивающих снижение техногенного воздействия на лесную экосистему.
-
Разработаны математические модели и методика оценки транспортно-эксплуатационного состояния лесовозных автомобильных дорог в зимних условиях, отличающиеся учетом несущей способности снежной поверхности дорог в зависимости от технических характеристик применяемых транспортных систем для условий многолесных регионов.
-
Разработаны математические модели взаимодействия лесотранспортной машины с поверхностью лесовозной дороги, отличающиеся учетом динамических колебаний конструктивных элементов машин с поверхностью дорожной одежды, повышающих точность оценки степени их влияния на изменения транспортно-эксплуатационных качеств дорог.
-
Предложены пути повышения транспортно-эксплуатационных качеств магистральных лесовозных автомобильных дорог, отличающиеся учетом изменений физико-механических характеристик покрытий переходного типа, позволяющие увеличить сроки эксплуатации дорог в многолесных регионах.
Научные положения, выносимые на защиту.
-
Методика оценки устойчивости функционирования региональной лесотранспортной сети, позволяющая обосновывать ее эффективность с позиции устойчивого лесоуправления.
-
Методики обоснования структурного состояния щебеночных покрытий лесовозных автомобильных дорог, по показателям изменения зернового состава, позволяющие создавать технологические и эксплуатационные условия для формирования высокоплотных конструктивных слоев из местных щебеночных материалов.
-
Математические зависимости и методики оценки условий функционирования и повышения транспортно-эксплуатационного состояния зимних лесовозных автомобильных дорог, позволяющие разрабатывать мероприятия по формированию и нормированию величины уплотненного снежного покрова на проезжей части, с учетом его состояния, применительно к условиям многолесных регионов.
-
Методики и математические модели, выражающие процессы взаимодействия колесно-гусеничных транспортных систем с элементами пути первичного транспорта в различных эксплуатационных условиях, позволяющие обосновать и назначать мероприятия по повышению транспортно-эксплуатационных качеств лесовозных дорог.
-
Математические зависимости и методика оценки транспортно-эксплуатационного состояния зимних путей первичного транспорта леса, позволяющие учитывать изменения несущей способности снежной поверхности и технические характеристики применяемых транспортных систем для условий многолесных регионов.
-
Математические модели взаимодействия лесотранспортной машины с поверхностью лесовозной дороги, учитывающие динамические колебания между конструктивными элементами машины, ходовой частью и поверхностью лесовозной дороги, позволяющие оценивать степень их влияния на транспортно-эксплуатационные качества дороги.
-
Рекомендации по повышению транспортно-эксплуатационных качеств магистральных лесовозных автомобильных дорог, позволяющие обеспечивать достаточный модуль упругости покрытий переходного типа.
Теоретическая значимость работы состоит в разработке комплекса математических моделей, методик и алгоритмов, позволяющих решить проблему повышения транспортно-эксплуатационных качеств лесовозных автомобильных дорог при освоении лесосырьевых баз многолесных регионов, с учетом эффективного использования местных строительных материалов, обоснования закономерностей изменения параметров состояния зимних лесовозных автомобильных дорог, влияния колесно-гусеничных лесотранспортных систем на дорожные поверхности в различных эксплуатационных условиях.
Практическая значимость работы заключается в том, что разработанные математические модели, методики и алгоритмы позволят реализовать концепцию устойчивого лесоуправления на примере многолесных регионов России, выбирать рациональные варианты транспортных схем освоения лесных ресурсов, обосно-
вывать конструкции дорожных одежд лесовозных автомобильных дорог и технологии работ при их строительстве и эксплуатации, приводящих к сокращению затрат на дорожно-строительные материалы и дорожную технику, повышению транспортной доступности лесных регионов и повышению производительности лесотранспортных машин в различных эксплуатационных условиях, снижению негативных экологических последствий транспортировки лесоматериалов.
Соответствие диссертации паспорту научной специальности. Диссертация посвящена решению технических, технологических и организационных вопросов повышения транспортно-эксплуатационных показателей лесовозных автомобильных дорог в различных сезонных условиях и обоснованию эксплуатационных параметров транспортных систем для первичного лесотранспорта в многолесных регионах.
Таким образом, диссертация соответствует специальности научных работников 05.21.01 - «Технология и машины лесозаготовок и лесного хозяйства». Диссертационное исследование соответствует пункту 2 паспорта специальности «Теория и методы воздействия техники и технологий на лесную среду в процессе заготовки древесного сырья и лесовыращивания», пункту 5 «Обоснование и оптимизация параметров и режимов работы лесозаготовительных и лесохозяйствен-ных машин», пункту 15 «Обоснование схем транспортного освоения лесосырье-вых баз, поставки лесопродукции, выбора техники и способов строительства лесовозных дорог и инженерных сооружений».
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций. Сформулированные в диссертации научные положения, выводы и рекомендации обоснованы теоретическими решениями и экспериментальными результатами, полученными в работе, базируются на результатах многолетнего практического опыта строительства и эксплуатации лесовозных автомобильных дорог, оценки функционирования первичного лесотранспорта, не противоречат известным положениям научных методов математического моделирования, теории графов, теории подобия и подтверждаются статистическими расчетами, выполненными на основе результатов лабораторных и производственных экспериментов, имитационного моделирования колебаний лесотранспортной машины с доверительной вероятностью 0,95 у полученных закономерностей.
Личное участие соискателя в получении результатов, изложенных в диссертации. Автором выполнен анализ научно-технических источников информации, сформулированы проблема, цель, задачи исследования, получены теоретические и экспериментальные результаты, осуществлены их обработка, интерпретация и внедрение в производство и учебный процесс.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертации докладывались и обсуждались: на международных научных, научно-практических и научно-технических конференциях: Междунар. науч.-практич. конф. посвященной 100-летию академика Дмитриева В.П.(Йошкар-Ола,1999 г.); Социально-экономические и экологические проблемы лесного комплекса (Екатеринбург, 2003, 2005 г.г.); Автотракторный комплекс. Совершенствование проектирования, строительства и эксплуатации автомобильных дорог. Охрана окружающей среды (Пермь, 2003 г.);Актуальные проблемы автомобильного, железнодорожного, трубопроводного транспорта в Уральском регионе (Пермь, 2005 г.); Урал промыш-ленный-Урал полярный: социально-экономические и экологические проблемы лесного комплекса(Екатеринбург, 2007 г.); Сухопутный транспорт леса (Санкт-Петербург, 2007 г.); Современное состояние и инновации транспортного комплекса (Пермь, 2008 г.); Социально-экономические и экологические проблемы лесного комплекса в рамках концепции 2020 (Екатеринбург, 2009 г.); Формирование регионального кластера: социально-экономические и экологические проблемы и перспективы лесного комплекса. Материалы VIII междунар. науч.-техн. конф.
(Екатеринбург, 2011 г.); Модернизация и научные исследования в транспортном комплексе (Пермь 2012, 2013, 2014, 2015, 2016 г.г.); Обеспечение экологической безопасности путем создания наукоемких технических средств и технологий в лесном комплексе (Воронеж, 2015 г.).
Реализация работы. Основные результаты теоретических и экспериментальных исследований внедрены в Свердловской, Московской областях, используются в учебном процессе Воронежского государственного лесотехнического университета им. Г.Ф. Морозова, Ухтинского государственного технического университета.
Публикации. Результаты исследований отражены в 75 научных работах общим объемом 106 п.л. (авторских 89 п.л.), в том числе в 19 статьях, в изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки РФ, 5 патентах, 3 свидетельствах о государственной регистрации программы для ЭВМ, 5 монографиях.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 6 разделов, общих выводов и приложений; содержит 276 страниц текста, 57 таблиц, ПО рисунков и библиографического списка из 245 наименований, включая 27 на иностранных языках.
Функционирование региональной лесотранспортной сети как элемента системы устойчивого лесоуправления
При функционировании систем лесозаготовительного производства по схеме устойчивого лесоуправления на основе критериев FSC (соблюдение принципов, установленных Советом по управлению лесами) и стандарта ISO 14001, сохранение и повышение ресурсно-экологического потенциала лесов возможно только при условии экологической, экономической и социальной устойчивости деятельности всех отраслей лесного комплекса [144].
В этом случае возникает качественно новая форма организации лесо-транспортного процесса, когда во всех ее элементах, на основе эффективного использования лесотранспортных машин, погрузочно-разгрузочного оборудования обеспечивается максимально возможная сохранная бесперегрузочная доставка лесных грузов от лесосеки до грузополучателя при снижении удельных транспортных затрат. При этом ущербы лесной экосистеме должны быть наименьшими.
Одним из элементов подобной сети являются лесовозные автомобильные дороги. Лесовозные дороги являются технологическим элементом лесозаготовительного производства. Основные требования к лесовозным дорогам и сетям сформулированы в работах В.И. Алябьева [12], Н.П. Вырко [60], Б.А.Ильина [89], И.И. Леоновича [122], Э.О. Салминена [182], А.П. Соколова [196] и др. Большой вклад в повышение эффективности функционирования лесовозных автомобильных дорог с усовершенствованным типом покрытия внесли О.Н. Бурмистрова [117], В.К. Курьянов [118], М.Г. Салихов [179], М.Ю. Смирнов [195], С.И. Сушков [205], А.В. Скрыпников [192], зимние ле совозные дороги рассмотрены у Б.П. Вейнберга [48], М.М. Корунова [102.103], И.В. Крагельского [ 106], С.И. Морозова [136]. В основу их иссле дований легли принципы стадийного повышения эксплуатационно экологического и транспортно-эксплуатационного уровня автомобильных лесовозных дорог.
Сеть лесовозных дорог в Уральскам регионе трехступенчатая: магистраль - ветки - усы. Лесовозные дороги в зависимости от срока их действия делятся на постоянные (со сроком действия свыше 5 лет) и временные (время действия до 5 лет). К постоянным дорогам относятся магистральные дороги, соединяющие лесной массив с нижним лесным складом, и ветки, примыкающие к магистралям и обеспечивающие освоение лесного массива.
К временным дорогам относятся действующие до 5 лет ветки, лесовозные усы, дороги для обслуживания лесхозов и др. Усы примыкают к магистралям или веткам и служат для вывозки леса с лесосек. Магистральные дороги действуют в течение всего срока работы лесозаготовительных предприятия или до полного освоения арендованных участков леса.
Автомобильные дороги лесных предприятий создают систему, включающую в себя [23, 200]: внешние автомобильные дороги (подъездные дороги), соединяют лесные предприятия, осуществляющую заготовку и переработку леса, с дорогами общего; межплощадочные лесовозные автомобильные дороги, соединяющие между собой обособленные участки и территории, на которых осуществляется заготовка древесины и другие виды хозяйственной деятельности. Эти дороги по своему функциональному значению можно отнести к магистральным, внутриплощадочным, лесовозным веткам и внутризаводским магистральным дорогам При этом транспортная доступность лесных кварталов по каждому лесничеству распределяется на категории транспортной доступности, т.е. удаленности от существующих трасс лесовозных дорог (I – категория до 5 км, II категория до 5 - 10км, III категория более 10 км).
Основными эксплуатационными показателями лесовозных дорог являются: грузооборот дороги, грузовая работа, среднее расстояние вывозки, исходя из средневзвешенного пробега, определяют также и средневзвешенного расстояния вывозки. По объемам транспортной работы лесовозные автомобильные дороги подразделяют на две категории: I - грузонапряженностью менее 100 тыс. т нетто/год; II - грузонапряженностью более 100 тыс. т нетто/год. Основным показателем функционирования лесотранспортной сети является ее протяженность. При значительных грузооборотах общая протяженность лесных дорог в Российской Федерации составляет 1,46 км на одну тыс. га лесных земель, а в странах Западной Европы и Северной Америки о 10 до 40 км [237]. В Свердловской области этот показатель несколько выше и составляет 5,6 км на одну тыс. га, при средней дальности возки 47,7 км [7].
Специфика Урала состоит в том, что леса осваивают уже свыше 100 лет. Это привело к тому, что эксплуатируемые в настоящее время арендованные участки леса удалены на значительное расстояние от предприятий, а дороги к ним проходят через большое количество населенных пунктов [123].
В таблице А.1. (приложение А) приведены данные, характеризующие сеть лесовозных автомобильных дорог, эксплуатирующуюся крупными лесопромышленными предприятиями Свердловской области. Протяженность дорог с усовершенствованным типом покрытия в лесозаготовительных предприятиях колеблется от 80 до 571 км.
Функционирование лесотранспортной сети неотделимо от автомобильных дорог общего пользования. Данные об интенсивности движения общего транспортного потока для Свердловской области на 4-х участках автомо 22
бильных дорог, общей протяженностью 615 км, по материалам обследования, проведенными ГКУ СО «Управление автомобильных дорог» [113] приводятся в таблица 1.3. Оказалось, что доля лесовозного автотранспорта в общем составе грузового потока находится в пределах от 29 до 61 %.
Математическая модель формирования уплотненного слоя щебеночных оснований и покрытий лесовозных автомобильных дорог
Транспортно-эксплуатационные показатели почвогрунтов, по которым перемещаются лесотранспортные машины, Г.К. Виногоров [51] предлагает разделить на четыре категории.
Первая категория - (сухие пески, каменистая почва) позволяет работать на лесосеке в течении всего года с небольшими перерывами в весеннюю распутицу.
Вторая категория - (супесчаные почвы, мелкие суглинки) допускает многократный проход по одному следу, В периоды весенней и осенней распутицы их несущая способность падает, но летние осадки на проходимость машин влияют мало.
Третья категория - (глинистые почвы, супеси с глинистыми прослойками) имеет повышенную влажность в течение всего теплого периода. ЛТМ быстро разрушают растительный слой и образуют глубокие колеи на волоках. В распутицу волоки превращаются в плывуны, дожди вызывают сильную загрязненность волоков.
Четвертая категория - (торфянисто-болотные, перегнойно-гелевые почвы) практически непригодны для лесоэксплуатации. В периоды затяжных дождей волоки становятся непроезжими, в сухую погоду заполнены грязью.
В той же работе рассматривается классификация лесных почвогрунтов учитывающая не только их эксплуатационные показатели, но и повреждаемость (уплотнение и деформацию) при взаимодействии с движителями ЛТМ. Предложенная классификация включает 6 классов почвогрунтов:
1 класс - почвогрунты с глубиной гумусового горизонта до 50 см., подстилаемого средними и тяжелыми суглинками, реже глинами. Расположение - хорошо дренированные вершины возвышенностей, средние и нижние трети пологих склонов. Модуль общей деформации изменяется в весенне-летний период от 14,5 до 24,3 МПа, а в летне-весенний период от 24,3 до 15,1 МПа. Характеризуется высокой проходимостью и устойчивостью к механическим повреждениям, после которых плодородие лесных почв снижается незначительно.
2 класс - почвогрунты с глубиной гумусового горизонта до 30 см., подстилаемого суглинками и глинами и расположенные на средних и нижних третях склонов средней крутизны, ровных местоположениях, недостаточно дренируемых спокойных возвышенностях. Модуль общей деформации изменяется в весенне-летний период от 13,5 до 20,5 МПа, а в летне-весенний период от 20,5 до 14,3 МПа. Характеризуется устойчивостью к механическим повреждениям, после которого происходит незначительное снижение плодородия.
3 класс - почвогрунты с глубиной гумусового горизонта 8 - 12 см., подстилаемого легкими и средними суглинками, реже тяжелыми суглинками, расположенные в верхних третях холмов, средних и нижних третях крутых склонов. Модуль общей деформации изменяется в весенне-летний период от 15,1 до 26,4 МПа, а в летне-весенний период от 26,4 до 15,6 МПа. Характеризуется высокой проходимостью и устойчивостью к механическим повреждениям, но при многократных проходах трелевочных тракторов происходит сильное уплотнение почв и снижение их плодородия.
4 класс - почвогрунты с глубиной гумусового горизонта 12 - 18 см, подстилаемого средними и тяжелыми суглинками, расположенные в долинах рек и слабо дренированных местоположениях. Модуль общей деформации изменяется в весенне-летний период от 11,3 до 17,8 МПа, а в летне-весенний период от 17,8 до 12,5 МПа. Характеризуется низкой проходимостью и устойчивостью к механическим повреждениям в летний период, в результате которых резко снижается плодородие и практически непроходимы в весенне-осенний период.
5 класс - почвогрунты с глубиной гумусового горизонта 3 - 5 см, подстилаемого супесями, пылеватыми и легкими (реже средними) суглинками, расположенные на вершинах гор и верхних третях склонов при близком под-стилании горных пород. Модуль общей деформации изменяется в весенне 36 летний период от 18,5 до 30,1 МПа, а в летне-весенний период от 30,1 до 19,0 МПа. Характеризуется очень высокой проходимостью, однако, в результате повреждения и перемешивания почвенного горизонта с подстилающими породами происходит резкое снижение плодородия.
6 класс - почвогрунты с глубиной торфянистого горизонта до 60 см, подстилаемого тяжелыми суглинками и глинами, расположенные на слабо дренированных понижениях. Модуль деформации изменяется в весенне-летний период от 10,4 до 14,5 МПа, а в летне-весенний период от 14,5 до 11,5 МПа. Характеризуются очень низкой устойчивостью к механическим повреждениям, практически непроходимы для лесозаготовительной техники.
Как было показано в главе 1.1 почвенно-грунтовые условия для Уральского лесозаготовительного региона, характеризуются значительным преобладанием грунтов 3 и 4 категорий, т.е. имеющими неблагоприятные транспортно-эксплуатационные показатели. Их влажность в течение года может изменяется от 0,7 и выше предела текучести. Глубина переувлажненного слоя достигает до 0,6 м.
Лесоводственные требования оценки эксплуатационного воздействия от лесозаготовительной техники то же рекомендуется учитывать по нормальному давлению на опорную поверхность. В таблице 1.10 приведены допускаемые значения нормального давления на лесную почву при однократном проходе ЛТМ.
Математическая модель деформации снежного покрова малой толщины при движении лесовозных автопоездов
При деформации дискретного материала увеличение числа контактов с одной стороны приводит к увеличению приращения давления dp, а с другой к уменьшению приращения деформации de [219]. В общем виде этот процесс описывается уравнением: de = dp\ 1 1ї LWc+P)n+(Ps-p)m\ (2.8) где L — величина, характеризующая жесткость сыпучего тела; e — относительная деформация; pc — начальное уплотнение; ps — предел несущей способности; n и m — показатели степени, зависящие от размера и формы частиц. Радиус частиц в процессе измельчения постоянно изменяется. Поэтому, для возможности расчета контактных усилий между частицами, изменение среднего значения радиуса определяем по выражению [165]: (/0-5 /5-10 /10-20 ) Rr = R0 100 , (2.9) где Я,- средний радиус частиц на i-ом цикле приложения нагрузки, мм; Я0- средний радиус частиц до уплотнения, мм; /0 5 - процент фракции 0-5 мм на i-ом цикле приложения нагрузки; У]5 10- процент фракции 5-10 мм на i-ом цикле приложения нагрузки; X10-20- процент фракции 10-20 мм на i-ом цикле приложения нагрузки. Показателем измельчения частиц каменного материала является количество образующихся при уплотнении мелких частиц: для щебня фракции 10-20 мм это частицы размером 5 мм; для фракции 20-40 мм частицы размером 10 мм; для фракции 40-70 мм частицы 20 мм [227].
Дискретная среда будет обладать прочностью, которая зависит не только от размера, формы частиц, но и от межзерновой пустотности. Для оценки зернового состава с минимальными значениями межзерновой пустотности воспользуемся исследованиями Фуллера и Андреасена [65, 234]: n (2.10) где А – содержание частиц меньших, чем размер d; d – крупность зерен той фракции, для которой вычисляется ее содержание в смеси, мм; D – максимальный размер частиц, мм; n – степень кривой максимальной плотности по Фуллеру n = 0,5, по Андреасену n = 0,37 (для пространственного распределения).
Таким образом, со стороны физических связей работа слоя из дискретного материала в конструкциях дорожных одежд лесовозных дорог зависит от плотности упаковки, размера и формы (кубовидная, пластинчатая) зерен материала [68, 122, 220].
Помимо физических связей у ряда каменных материалов, к которым относятся продукты дробления слабых известняков, золы уноса, активные шлаки, металлургический шлам и другие зернистые побочные продукты промышленности возникает особый вид связей – цементирующие [137].
Цементирующие связи возникают в неорганических материалах как в процессе их уплотнения, так и после, в результате протекания химических реакций [145, 181]. Необходимым условием уплотнение слоя из местных малопрочных щебеночных материалов является присутствие воды, являющейся реагентом для протекания реакции. Под цементирующей способностью понимают свойство горной породы в размолотом состоянии (в виде порошка), при смешивании с водой, образовывать тесто, которое после высыхания приобретает некоторую связность. Цементирующая способность считается хорошей, если показатель времени прохождения образца через металлическое сито 2 мм свыше 180 с, средней, если показатель 60-180 с и низкой, если показатель до 60 с (таблица 2.2) [109].
Способность к омоноличиванию позволяет не только повысить качество конструктивного слоя при строительстве, но и при эксплуатации. Это приводит к увеличению общего модуля упругости дорожной одежды и может расцениваться как предпосылка для увеличения транспортно-эксплуатационного состояния лесовозной автомобильной дороги [180].
Для учета активной каменной пыли в процессе измельчения частиц введем понятие эквивалентной частицы. Эквивалентная частица каменной пыли (ЭЧКП) - это каменная пыль, вступившая в реакцию с водой и образующая сцементированные связи между частицами с повышенной прочностью и устойчивостью к сдвиговым нагрузкам. Оптимальной ЭЧКП будем считать образец из частиц крупностью 0,25 мм, высота и диаметр которого после формования составляют 2,5 см. При этом реальная смесь будет включать в себя более крупные частицы, имеющие произвольную форму и е прочность будет несколько отличаться от прочности образцов из ЭЧКП. В связи с этим при расчете удерживающей силы между частицами приняты следующие допущения: - эквивалентные частицы каменной пыли равномерно распределены по всему объему образованной при уплотнении смеси; - средний радиус частиц принят размером 0,25 мм; - рассматриваем бинарную структуру смеси (два типоразмера частиц); - в модели рассматриваем только силы трения между частицами.
Особенности представления колесно-гусеничной транспортной системы в математической модели
Именно первичный лесотранспорт оказывает наибольшее негативное воздействие на лесную экосистему. А наличие в многолесных регионах сложных природно-климатических условий требует повышенного внимания к этой проблеме. Как было показано в разделе 1.3 разработка методов повышения транспортно-эксплуатационных качеств элементов путей первичного лесотранспорта является важной и актуальной задачей, влияющей непосредственно на устойчивость системы лесоуправления.
В процессе движения на лесотранспортную машину действуют внешние силы, различные по своему характеру и происхождению. В общем виде уравнение движения рассмотрено в разделе 3.2. С учетом условий работы первичного лесотранспорта, и проведенного анализа литературных источников рассматриваем только силы сопротивления движения и касательные силы тяги [125, 142, 194].
Большинство авторов оценивают сопротивление движения ЛТМ в зависимости от нормального давления на опорную поверхность, распределения давления по площади контакта и влияния конструктивных параметров, количества проходов по одному следу и т.д. [17, 25, 29, 54, 127]. Опытные значения сил сопротивления Ff , выраженные коэффициентом сопротивления движения приведены в работах [24, 31, 39] и определяются по выражению (3.7).
Как показано в разделе 3.2 коэффициент сопротивления движению представляет собой сложную функцию многих параметров, таких как: распределение нагрузки по осям, конструкция ходовой части, характеристики опорной поверхности и других трудно учитываемых факторов.
Для нашего случая, при оценке взаимодействия колесно-гусеничных транспортных систем (КГТС) с элементами пути первичного лесотранспорта наиболее важным следует считать сопротивление Fde $ , возникающее вследствие деформации поверхности лесотранспортного пути: Рдеф = Ъ(р«+рФР& (4-І) где Fm - сопротивление за счет вертикальной деформации поверхности лесотранспортного пути; F, . - сопротивление от сдвига поверхности пути фронтальной поверхностью ходовой части. Если составляющую Fei оцениваем по выражению (3.8), то при значительной деформации пути (глубина колеи) начинает сказываться влияние сдвига опорной поверхности вперед фронтальной поверхностью колесно-гусеничного устройства. При этом происходит нагребание грунта или снега перед катком и работа, затрачиваемая на деформацию опорной поверхности существенно увеличивается. Для оценки этого дополнительного сопротивления (бульдозерный эффект) воспользуемся методом, рассматриваемым при изучении взаимодействия рабочих органов дорожно-строительных машин со средой [26, 54]: Fn=s t,p-kyd (4.2) где % - фронтальная площадь колесно-гусеничного устройства, участвующего в деформации поверзности пути, м2; куд - удельное сопротивление сдвига поверхности, кН/м2, (4.3) где h кол - глубина колеи, м; с0 - связность материала поверхности, МПа: сро - угол внутреннего трения опорной поверхности, град. Для КГТС учитывают дополнительное сопротивление движению кгс = Gpfn (4.4) где Gp - полный вес колесно-гусеничной машины, Н; f„ - дополнительный коэффициент сопротивления движению от натяжения гусеницы и деформации дорожной поверхности.
Данный факт свидетельствует о том, что давление на дорожную поверхность пути имеет существенное значение для ее эксплуатационной оценки. Чем меньше давление от ходовой части, тем меньше деформация дорожной поверхности, меньше сопротивление движению и выше транспортные показатели дороги. В общем виде условие эксплуатационного фактора дороги можно записать: hKon hdM. , (4.5) где hKon - глубина колеи; hdM. - дорожный просвет лесотранспортной машины.
Таким образом, если эксплуатационные показатели дороги и параметры КГТС допускают касание днищем машины поверхности пути, то может произойти ограничение по обеспеченности движения. Движение в данных условиях определяется состоянием системы «движитель - среда», а записанное условие назовем ограничением обеспеченности движения по транспортному фактору [113].
Однако если поверхность лесотранспортного пути имеет небольшую плотность, а движитель - высокие сцепные качества, то нарушение приведенного условия не вызовет обеспеченности движения, пока выполняется условие FK Fconp.
На практике этот случай наблюдается достаточно часто, при этом днище машины деформирует грунт или снег, увеличивая сопротивление движению, а тяговое усилие достаточно для преодоления этого сопротивления. В работе А.В. Жукова [87] рассмотрено условие обеспеченности движения по транспортному фактору с определенным запасом, т.е. hдеф hд.п., (4.6) где hдеф – глубина грунта или снега, деформируемого днищем машины.
Опыт эксплуатации транспортно-технологических машин, описанный в работе А.П Куляшова [116], показывает, что условие Fк Fсопр практически всегда выполняется, если выдерживается неравенство (4.5).
Движение КГТС по элементам лесотранспортных путей осуществляется за счет сцепления движителя с поверхностью. Сцепление с поверхностью пути происходит за счет трения движителя и зацеплением их выступающих частей об поверхность. В этом случае касательная сила тяги описывается выражением (3.2).
С изменением состояния дорожной поверхности пути изменяются ее физико-механические параметры (плотность, пористость, связность, модуль упругости, модуль деформации и т.д.), подробно описанные для зимних путей в разделе 1.4 и для летних в разделе 1.5.
Таким образом для оценки эксплуатационного фактора лесотранспорт-ных путей и степени воздействия на них колесно-гусеничных транспортных систем необходимо знать зависимости деформации поверхностей путей и распространения по глубине нормальных напряжений в них.