close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

МОДЕЛИРОВАНИЕ ЦИКЛИЧЕСКОГО УПЛОТНЕНИЯ В ЗАДАЧАХ СНИЖЕНИЯ НЕГАТИВНОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ ЛЕСНЫХ МАШИН НА ПОЧВОГРУНТ

код для вставкиСкачать
на правах рукописи
КАЛИСТРАТОВ Александр Викторович
МОДЕЛИРОВАНИЕ ЦИКЛИЧЕСКОГО УПЛОТНЕНИЯ В ЗАДАЧАХ
СНИЖЕНИЯ НЕГАТИВНОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ
ЛЕСНЫХ МАШИН НА ПОЧВОГРУНТ
05.21.01 – технология и машины лесозаготовок и лесного хозяйства
Автореферат диссертации на соискание
ученой степени кандидата технических наук
Архангельск
2016
2
Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном
образовательном учреждении высшего профессионального образования
«Санкт-Петербургский государственный лесотехнический университет имени
С.М. Кирова»
Научный руководитель –
доктор технических наук, профессор
Минаев Александр Николаевич
Официальные оппоненты –
Макуев Валентин Анатольевич,
доктор
технических
наук,
профессор,
Мытищинский
филиал
федерального
государственного
бюджетного
образовательного
учреждения
высшего
профессионального образования «Московский
государственный технический университет
имени Н.Э. Баумана», кафедра колесных и
гусеничных машин, заведующий кафедрой
Галактионов Олег Николаевич,
кандидат технических наук, доцент, ФГБОУ
ВПО
«Петрозаводский
государственный
университет»,
кафедра
технологии
и
организации лесного комплекса, доцент
Ведущая организация –
ФГБОУ
ВО
государственный
университет»
«Воронежский
лесотехнический
Защита состоится 29 июня 2016 года в 14 часов на заседании
диссертационного Совета Д 212.008.01 на базе ФГБОУ ВПО «Северный
(Арктический) федеральный университет имени М.В. Ломоносова» по
адресу: 163002, г. Архангельск, набережная Северной Двины, 17, ауд. 1220.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГАОУ ВО
«Северный (Арктический) федеральный университет имени М.В.
Ломоносова» и на сайте www.narfu.ru.
Автореферат разослан «
»
2016 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета,
кандидат технических наук
Тюрин Алексей Михайлович
3
ВВЕДЕНИЕ
Актуальность темы исследования. С развитием общества изменяются
требования, предъявляемые к технологии. В современных условиях
необходимо стремиться не только к повышению производительности
процесса заготовки древесины и снижению себестоимости единицы
продукции в денежном эквиваленте. При организации процесса
лесозаготовки следует также учитывать его влияние на окружающую среду.
Негативное влияние трелевочных машин на почвогрунты лесосек
общеизвестно: перемещение техники зачастую вызывает уплотнение
почвогрунтов,
что
в
перспективе
препятствует
естественному
лесовозобновлению, а также в ряде случаев повреждает корневую систему
подроста. Все это наносит серьезный ущерб лесной экосистеме.
Снижению ущерба лесу, вызванного работой трелевочных машин,
посвящено значительное количество научных работ, среди них нужно особо
отметить труды Из отечественных ученых необходимо отметить работы
Анисимова Г.М., Базарова С.М., Герасимова Ю.Ю., Герца Э.Ф., Григорьева
И.В., Иванова В.А., Котикова В.М., Кочегарова В.Г., Кочнева А.М.,
Курьянова В.К., Макуева В.А., Меньшикова В.Н., Никифоровой А.И.,
Пошарникова Ф.В., Рябухина П.Б., Сюнева В.С., Шегельмана И.Р., Ширнина
Ю.А., и многих других.
Ранее неоднократно отмечалось, что снизить негативные последствия
для окружающей среды становится возможным за счет рациональной, научно
обоснованной организации процесса трелевки (выбор трелевочной техники,
обоснование рейсовой нагрузки на трелевочную машину, выбор схемы
размещения волоков). В этой связи в лесоинженерном деле значительное
внимание уделяется исследованию процессов взаимодействия движителей
лесных машин с почвогрунтами лесосек. Большинство известных моделей
для описания этих процессов строится для системы «движитель машины +
деформируемая поверхность движения», по результатам реализации таких
моделей получают оценки глубины колеи и плотности почвогрунта, на
основании которых формулируют рекомендации по организации
технологического процесса трелевки.
Необходимо заметить, что большинство моделей используют в качестве
интегральной характеристики сопротивления почвогрунта уплотнению
модуль деформации. При этом остается сравнительно слабо изученным
влияние на эту величину ряда факторов, таких, как влажность почвогрунта,
процентное содержание органического вещества в нем, влияние корневой
системы деревьев, тип и фракционный состав почвогрунта. Вопрос оценки
изменения механических свойств почвогрунтов при многократном
прохождении техники по волоку с учетом взаимного влияния обозначенных
4
факторов практически не исследован. Это, в свою очередь, сужает область
практического применения результатов реализации существующих моделей.
Отметим также, что плотность почвогрунта и глубина колеи являются
одними из важнейших, но не единственными показателями для оценки
последствий воздействия лесных машин на почвогрунты и эффективности
процесса трелевки. Напротив, присутствует сложный характер взаимного
влияния, многообразие проявлений последствий для окружающей среды
взаимодействия лесных машин с почвогрунтами. Так, известна связь
коэффициента фильтрации лесного почвогрунта (который является
показателем его влагопроводности) с развитием корневой системы
оставляемых на доращивание деревьев, но при этом вопрос прогнозирования
изменения коэффициента фильтрации в результате уплотнения также
остается непроработанным.
Таким образом, выбранная тематика исследований, направленная на
дальнейшее изучение вопросов взаимодействия движителей лесных машин с
почвогрунтами лесосек для выработки методик обоснования параметров
процесса трелевки древесины по дополнительным критериям оценки
экологической эффективности, соблюдение которых обеспечит снижение
вреда окружающей среде, представляется актуальной как для теории, так и
для практики.
Степень
разработанности
темы
исследования.
Известные
математические модели, разработанные для оценки экологической
эффективности первичного транспорта древесины, не в полной мере
учитывают особенности процесса взаимодействия колесного движителя с
почвогрунтом лесосеки. В частности, на настоящее время сравнительно слабо
изучено влияние в комплексе влажности, процентного содержания
органического вещества, корневой системы деревьев, типа и фракционного
состава на деформативные свойства лесного почвогрунта. Вопрос оценки
изменения комплекса указанных физико-механических свойств почвогрунтов
при циклическом приложении нагрузки нуждается в дальнейшем развитии.
Цель работы: повышение эффективности процесса трелевки
древесины путем обоснования его рациональных параметров исходя из
требования о снижении экологического ущерба.
Объект исследования: уплотняемые движителями колесных лесных
машин почвогрунты лесосек.
Предмет исследования: процесс трелевки древесины колесными
лесными машинами.
Задачи исследования:
1. Получить зависимости для оценки изменения физико-механических
свойств почвогрунта лесосеки в результате его циклического
уплотнения в зависимости от влажности и фракционного состава.
5
2. Получить оценку влияния процентного содержания органического
вещества, представленного корнями, на физико-механические свойства
почвогрунта.
3. Получить зависимости для оценки плотности почвогрунта лесосеки при
циклическом уплотнении под воздействием движителя колесной
машины.
4. Получить зависимости для оценки коэффициента фильтрации
почвогрунта лесосеки при циклическом уплотнении под воздействием
движителя колесной машины.
5. Разработать математическую модель для описания процесса
взаимодействия колесного движителя лесной машины с почвогрунтом
лесосеки, позволяющую проводить комплексную оценку экологической
эффективности процесса трелевки.
Научная новизна: математическая модель процесса взаимодействия
колесного движителя лесной машины с почвогрунтом лесосеки,
отличающаяся учетом влияния процентного содержания органического
вещества, представленного корнями, и фракционного состава почвогрунта на
его физико-механические свойства, позволяющая прогнозировать изменение
физико-механических свойств почвогрунта в результате его циклического
уплотнения и проводить комплексную оценку экологической эффективности
процесса трелевки.
Теоретическая значимость работы. Разработанная математическая
модель процесса взаимодействия колесного движителя лесной машины с
почвогрунтом лесосеки и соотношения, полученные по результатам ее
реализации, учитывают влияние содержания органического вещества,
представленного корнями, и фракционного состава почвогрунта на
показатели исследуемого процесса (относящиеся к изменению свойств
почвогрунта при циклическом нагружении) и, тем самым, развивают
теоретические представления о процессе взаимодействия колесного
движителя с почвогрунтом
Практическая значимость работы. Предложенные соотношения для
оценки изменения физико-механических свойств почвогрунта при
циклическом воздействии колесного движителя позволяют на практике
формулировать рекомендации, относящиеся к организации процесса
первичного транспорта древесины (обоснование рейсовой нагрузки колесных
лесных машин, числа проходов волоку в зависимости от свойств
почвогрунта), позволяющие снизить экологический ущерб лесной экосистеме
при трелевке древесины машинами с колесным движителем.
Положения, выносимые на защиту:
6
1. Экспериментальные результаты оценки влияния процентного
содержания органического вещества, представленного корнями
деревьев, на физико-механические свойства почвогрунта.
2. Зависимости, учитывающие влажность и фракционный состав
почвогрунта, предназначенные для оценки изменения физикомеханических свойств почвогрунта лесосеки в результате его
циклического уплотнения.
3. Математическая модель для описания процесса взаимодействия
колесного движителя лесной машины с почвогрунтом лесосеки,
предназначенная
для
комплексной
оценки
экологической
эффективности процесса трелевки.
Методология и методы исследования. При проведении исследований
основой являлись работы признанных ученых в области лесной науки.
Использованы базовые методы сбора и анализа информации. При проведении
теоретических исследований применялись численные методы обработки
расчетных данных, решения трансцендентных уравнений, математического
анализа. На этапе планирования экспериментальных исследований
применялись положения теории планирования эксперимента. В ходе
обработки опытных данных использовались методы статистической
обработки данных.
Степень достоверности результатов исследования обеспечивается:
методологической базой, основанной на положениях результатов
исследований ведущих ученых в области лесной науки; применением
современных вычислительных средств и лицензионного программного
обеспечения при обработке результатов исследований; использованием
апробированных методик и поверенного оборудования при проведении
экспериментальных исследований; удовлетворительной сходимостью
результатов теоретических и экспериментальных исследований.
Апробация результатов проводилась на ежегодных научнотехнических конференциях СПбГЛТУ в 2002 – 2015 гг., XI Международной
научно-технической интернет-конференции «Леса России в XXI веке»
(Санкт-Петербург, 2014), Международной научной конференции SGEM-2014
(София, 2014) (материалы конференции индексируются в базе Scopus),
Республиканской научно-практической конференции «Наука, образование,
инновации в приграничном регионе» (Петрозаводск, 2015). Основное
содержание работы опубликовано в 2 статьях из перечня журналов,
рекомендованных ВАК РФ для публикации результатов диссертационных
исследований, общее число публикаций по теме работы составляет 6.
Результаты исследований также отражены в отчетах по НИР.
Исследования выполнялись в створе Перечня Приоритетных
направлений развития науки, технологий и техники РФ, (от 07.07.2011 г.)
7
пункт «Рациональное природопользование». Часть материалов работы
получена при выполнении НИР № 01201255482 «Разработка теоретических
основ сквозных технологических процессов и модульных систем машин
лесозаготовительного производства», руководитель, проф. И.В. Григорьев.
Работа выполнена в рамках научной школы «Инновационные разработки в
области лесозаготовительной промышленности и лесного хозяйства», которая
включена в реестр ведущих научных и научно-педагогических школ СанктПетербурга распоряжением Комитета по науке и высшей школе
Правительства Санкт-Петербурга от 13.12.2013 № 99. Руководитель школы –
проф. И.В. Григорьев.
Сведения о структуре работы. Диссертация состоит из введения, 4
глав, общих выводов и рекомендаций, списка использованных источников
(включает в себя 104 наименования). Основное содержание работы изложено
на 160 страницах машинописного текста (текст включает в себя 67 рисунков,
34 таблицы).
СТРУКТУРА РАБОТЫ
1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ
Установлено, что подход к оценке особенностей деформации массива
почвогрунта, разработанный предыдущими исследователями, позволяет
прогнозировать оптимальные параметры трелевки, при которых
обеспечивается минимальное вредное воздействие трелевки с точки зрения
уплотнения. Однако для получения адекватных результатов моделирования
нужно располагать дополнительными сведениями:
 Необходимы оценки для изменения физико-механических параметров
почвогрунтов в результате циклического уплотнения.
 Необходимы более подробные сведения о влиянии влажности и состава
почвогрунтов на модуль деформации, внутреннее сцепление, угол
внутреннего трения.
 Требуются систематизированные сведения о влиянии количества
органического вещества, представленного корневой системой деревьев,
на деформативные свойства почвогрунтов.
Только лишь по показателям плотности и относительного уплотнения
почвогрунта невозможно оценить весь комплекс последствий, вызванных
движением лесных машин. Необходимо более полное представление об
изменении физических свойств почвогрунтов. В связи с этим, представляется
целесообразным проведение исследований по изучению влияния уплотнения
на фильтрационные свойства почвогрунтов для последующей разработки
дополнительных критериев оценки экологической эффективности трелевки.
8
2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ
В качестве базы для теоретической модели использована зависимость
проф. Я.С. Агейкина, устанавливающая суммарную деформацию почвогрунта
под воздействием движителя:
 A  E  H  h  

J  p  k Д  k p  arctanh
 J  p  k Д   E 

,
(1)
h
A J  p  k Д   E
при этом деформация непосредственно сжатия почвогрунта:
 A  E  H  h  

J  p  k Д  arctanh
 J  p  k Д   E 


(2)
h*  
A J  p  k Д   E
где H – толщина деформируемого слоя почвогрунта, E – модуль деформации
почвогрунта, p – осредненное давление в пятне контакта
Коэффициент учета формы пятна контакта (по К. фон Терцаги):
0,03  l
b
J
(3)
0,6  0,43 l
b
где l – осредненная длина площадки контакта
2
l  2 DhZ  hZ2  D  hZ  h  hZ  h
(4)
где b – осредненная ширина площадки контакта (проф. Агейкин):
10h  B  hZ  bПР 
(5)
b  bПР 
10h  H Ш  hZ
bПР – ширина протектора шины, B – ширина шины, HШ – высота шины, hZ –
осевая деформация колеса
Коэффициент учета скорости движения машины (по проф.
Покровскому):
l
kД 
(6)
l  v 2 0 
v – скорость движения машины, φ0 – угол внутреннего трения почвогрунта
Коэффициент учета толщины деформируемого слоя почвогрунта:
1
(7)
A
0,64  b  1  b H 
Коэффициент учета сдвиговых деформаций:
9
pS
(8)
pS  p  k Д
где pS – несущая способность почвогрунта:
(9)
pS  pS 0 
Несущая способность массива почвогрунта неограниченной толщины:
pS 0  I1 X 1b  I 2 X 2  X 3 h
(10)
l
l b
I1 
; I2 
(11), (12)
l  0,4b
l  0,5b
1
1 S4
S2 1
; X 2  2C
; X 3    g  2 (13) – (15)
X1    g 
5
3
S
2S
S
  0 
(16)
kp 
S  tg  
2 2 
Коэффициент учета толщины деформируемого слоя почвогрунта:

  H  h 
  arctg
2
2b
Нормальное давление по площадке контакта:
p
4G K

10h  B  hZ  b ПР   
2
2
  b ПР 
  2 Dh Z  hZ  D  hZ  h   hZ  h  


10
h

H

h
Ш
Z



4G K

p  0,5   pW 

3  b ПР Dh Z 0  hZ2 0

 h

Z
  b
 ПР
 B
3H Ш
 

H
B
 Ш
  hZ
  1 
B
 



(17)
(18)
(19)
GK – нагрузка на колесо
Радиальная деформация шины при контакте с жесткой поверхностью:

170 
  GK
(20)
hz 0  0,008  0,001   0,000365 
p

W 
Относительное уплотнение почвогрунта:

h
(21)

1
0
H
ρ – плотность почвогрунта после воздействия, ρ0 – начальная плотность
почвогрунта
Порядок расчета:
Анализ выражений показывает, что все величины, входящие в формулы
(1), (2), выражаются через:
 Физико-механические свойства массива почвогрунта E, C, φ0, ρ, H.
 Скорость движения машины v. С учетом вида функции (6), скорость
движения при изменении в диапазоне 1 – 5 м/с при φ0 = 10 – 300 вызывает
изменение kД в пределах 0,85 – 0,95, поэтому, с учетом вида выражения (1), в
10
дальнейших расчетах будем ориентироваться на величину v = 5 м/с и
принимать ее значение при задании исходных данных к расчетам.
 Параметры пятна контакта b и l (определяются по выражениям (4), (5)
и, таким образом, зависят от hZ, GK, а также исходных данных, относящихся к
параметрам колеса)
 Условное давление p.
При заданных значениях параметров, принимаемых в качестве
исходных данных, суммарную деформацию h в уравнении (1) можно
представить в виде функции h = f(GK, hz, p). Учтем также полученные ранее
зависимости p = f(GK, hZ), формула (18), и p = f(GK, hZ, h), формулы (19), (20).
В итоге получим систему из трех трансцендентных уравнений с четырьмя
неизвестными: p, GK, hZ и h. При этом величина нагрузки на колесо может
являться управляемым параметром, поскольку зависит от типа машины и
рейсовой нагрузки, которая определяется технологическими требованиями к
процессу трелевки.
После определения значения h из решения системы уравнений (18),
(19), (1) определим составляющую общей деформации, вызванную сжатием
массива почвогрунта по формуле (2). Эту величину используем при оценке
относительного уплотнения массива почвогрунта по формуле (21).
Согласно проф. Ларину (МГТУ им. Баумана), модуль деформации E
[МПа], внутреннее сцепление C [МПа] и угол внутреннего трения φ0 [o]
грунта можно выразить через коэффициент пористости e и показатель
консистенции IL:
f  a0  a1 I L   e a2 a3I L 
(22)
где a1, a2, a3, a4 –коэффициенты, зависящие от свойств грунта
Показатель консистенции IL и коэффициент пористости e:
  1  0,01  W    0 
W  WP
;
(23), (24)
e s
IL 
0 
IP
где W – абсолютная влажность грунта; WP – влажность грунта на границе
раскатывания, IP – число пластичности
(25)
I P  WL  WP ,
где WL – влажность грунта на границе текучести, ρS – плотность частиц
грунта, ρ0 – начальная плотность грунта,  - относительное уплотнение
грунта
В таблицах 1, 2 представлены необходимые для расчета
характеристики.
Таблица 1 – Коэффициенты для расчета физико-механических свойств грунта
f Тип грунта
a1
a2
a3
a4
E
Супесь
22,496
-7,808
-0,39 -0,25
11
Тип грунта
a1
a2
a3
a4
Суглинок 21,128 -11,793 -0,315 -0,722
Глина
16,887 -11,977 -0,204 -2,506
Супесь
0,00459 -0,00378 -1,475 -1,118
C Суглинок 0,01924 -0,01437 -1,204 -0,647
Глина
0,04257 -0,01966 -1,136 -0,22
Супесь
10,67
-7,273 -1,524 -0,974
φ0 Суглинок 11,366
-7,575 -1,403 -1,089
Глина
15,217 -10,679 -0,969 -1,975
Таблица 2 – Содержание глинистых частиц и числа пластичности грунтов
Тип грунта
IP
Q, %
Супесь
1–7
3 – 10
Суглинок 7 – 17 10 – 30
Глина
> 17
> 30
(Q – содержание глинистых частиц [%])
Аппроксимированные зависимости для определения механических
свойств почвогрунта в зависимости от относительного уплотнения получены
в следующем виде:
K
K
K
E    ДЕФ
C    СДВ
(26) – (28)
 0   СДВ
f
(29), (30)
K ДЕФ  0,25Q 0, 038W  00, 49 ;
K СДВ  0,26Q 0,81W  00,53
Расчет относительного уплотнения проведен на примере колесного
форвардера 8x8 с шинами 600/25,5. Исходные данные: B = 0,61 м, HШ = 0,27
м, D = 1,6 м, pW = 270 кПа, bПР = 0,61 м. Управляемые факторы: параметры
почвогрунта E, C, φ0, H, KДЕФ, KСДВ, вес форвардера G и число проходов N (за
один проход форвардера по участку уплотнение осуществляется четырьмя
последовательными проходами колес). Приведенная нагрузка на колесо GК
определена путем деления массы форвардера на число колес: GK = gG/8
Таблица 3 – Уровни варьирования и интервалы факторов при проведении
расчетов по теоретической модели
Значение
Фактор
Размерность
Интервал
нижний
основной
уровень
уровень
E
МПа
0,5
7,5
1,75
C
кПа
5
100
23,75
o
φ0
5
30
6,25
KДЕФ
б/р
4
14
2,5
KСДВ
б/р
0,5
5
1,125
1, 91
1, 44
12
Значение
Фактор
Размерность
Интервал
нижний
основной
уровень
уровень
H
м
0,3
0,8
0,125
G
т
15
35
5
N
б/р
1
25
1
По результатам аппроксимации расчетных данных получено
следующее уравнение, связывающее относительное уплотнение с
параметрами грунта и нагрузкой при циклическом воздействии колесного
движителя:
0,011G 0, 288 
15,9 
(31)
 1
 1  0,853 0, 243   ln N  1
0 , 645 
K
N
B  E  H 
СДВ


Расчетное значение относительного уплотнения почвогрунта
проиллюстрировано на рисунке 1.
E = 0,5 МПа, H = 0,8
E = 2,5 МПа, H = 0,5 м, E = 7,5 МПа, H = 0,3 м,
W  1, Q = 20 %
W  0,6, Q = 20 %
м, W  1,4, Q = 20 %
Рисунок 1 – Результаты расчетов относительного уплотнения
почвогрунта по формуле (31)
3. МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ
Для реализации модели, предложенной во второй главе настоящей
работы, необходимо располагать экспериментальными данными о свойствах
почвогрунта. Необходимо установить влияние таких параметров, как:
 процентное содержание глинистых частиц в почвогрунте,
 влажность почвогрунта,
 содержание в почвогрунте органического вещества, представленного
корневой системой деревьев
на
механические
свойства
почвогрунта,
характеризующие
его
деформативность, а именно:
 модуль деформации,
13
 внутреннее сцепление,
 угол внутреннего трения.
4. РЕЗУЛЬТАТЫ ТЕОРЕТИЧЕСКИХ И
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ
Результаты корреляционного анализа модуля деформации E,
внутреннего сцепления C, угла внутреннего трения φ0, влажности образцов
почвы W и массы сухих корней в образце m образцов почвогрунта,
отобранных в древостоях сосны, представлены в таблице 4 (примеры
экспериментальных зависимостей приведены в виде графиков на рисунках 2,
3).
14
Таблица 4 – Результаты корреляционного анализа свойств образцов
почвогрунта в сосновых древостоях
W
m
E
C
φ
0,0571 -0,9044 -0,7137 -0,1505
W
0,0571
0,1204 0,5819 0,9449
m
-0,9044 0,1204
0,8234 0,3261
E
-0,7137 0,5819 0,8234
0,7436
C
-0,1505 0,9449 0,3261 0,7436
φ
Регрессионные модели для определения механических параметров
образцов почвогрунта сосновых древостоев в зависимости от влажности и
содержания корней:
E  6,59m0, 24 exp 0,0629W  (R2 = 0,961)
(32)
2
(33)
C  18,9m0, 239  0,00015W  0,00161 (R = 0,928)
2
0 , 257
0  16m  0,000146W  0,64 (R = 0,982)
(34)
Результаты корреляционного анализа модуля деформации E,
внутреннего сцепления C, угла внутреннего трения φ0, влажности образцов
почвы W и массы сухих корней в образце m у образцов почвогрунта из
еловых древостоев представлены в таблице 5.
Таблица 5 – Результаты корреляционного анализа свойств образцов
почвогрунта в сосновых древостоях
W
m
E
C
φ
0,0665 -0,8658 -0,3857 -0,0932
W
0,0665
0,2251 0,5819 0,9398
m
-0,8658 0,2251
0,6289 0,3837
E
0,5819 0,8446 0,6289
0,9059
C
-0,0932 0,9398 0,3837 0,9059
φ
Формулы для определения механических параметров образцов
почвогрунта еловых древостоев в зависимости от влажности и содержания
корней:
E  4,57m0,372 exp 0,061W  (R2 = 0,966)
(35)
2
0 , 441
(36)
C  0,0221m  0,0056W  0,741 (R = 0,909)
0 , 323
2
0  0,0687m  0,297W  128 (R = 0,973)
(37)
15
С,МПа
С,МПа
y = -0,0003x + 0,0466
R² = 0,8359
0,045
0,04
0,06
0,035
0,05
0,03
0,04
0,025
0,03
10
E,МПа
7
6
5
4
3
2
1
0
10
25
y = -0,0007x + 0,0738
R² = 0,937
0,07
10
40 W, %
25
W, %
40
E,МПа
12
10,787e-0,064x
y=
R² = 0,9453
y = 14,156e-0,059x
R² = 0,942
10
8
6
4
2
0
25
40 W, %
10
φ, 0
26
φ, 0
17
40
W, %
y = -0,0551x + 26,32
R² = 0,906
25,5
16,5
25
25
24,5
16
24
15,5
y = -0,0386x + 17,433
R² = 0,8684
23,5
23
15
10
25
40
W, %
10
25
40
W, %
Рисунок 2 - Механические свойства почвогрунта в сосновом древостое (графики в
левой колонке – образцы почвогрунта, слабо армированного корнями, в правой
колонке – заметно армированного корнями)
16
С,МПа
С,МПа
y = -0,0007x + 0,0935
R² = 0,8558
0,09
0,04
0,08
0,07
0,03
y = -0,0004x + 0,0464
R² = 0,9026
0,06
0,02
10
E,МПа
7
6
5
4
3
2
1
0
10
25
40 W, %
y = 8,9074e-0,056x
R² = 0,9266
25
40
0,05
10
E,МПа
14
12
10
8
6
4
2
0
W, %
10
φ, 0
25
40 W, %
y = 19,183e-0,059x
R² = 0,9395
25
40 W, %
φ, 0
17
30,5
16,5
29,5
16
28,5
15,5
y = -0,037x + 17,166
R² = 0,8316
15
27,5
14,5
y = -0,0765x + 31,193
R² = 0,8908
26,5
10
25
40
W, %
10
25
40 W, %
Рисунок 3- Механические свойства почвогрунта на участке с еловым древостоем
(графики в левой колонке – образцы почвогрунта, слабо армированного корнями, в
правой колонке – заметно армированного корнями)
17
Регрессионная зависимость для расчета изменения коэффициента
фильтрации лесной почвы в зависимости от ее плотности в абсолютно сухом
состоянии получена в следующем виде:
K f  exp(27,803  23,261  0,295)
(38)
Отметим, что предыдущими исследователями приводится формула для
определения коэффициента фильтрации дерново-подзолистых почв в
условиях Северо-Запада России, однако без указания границ изменения
коэффициента фильтрации (поправка ε):
(39)
K f  0,0137  23, 78
Физико-механические
характеристики
образцов
почвогрунта,
отобранного с экспериментального участка после проведения опытов по
изучению уплотнения почвогрунта при циклическом воздействии колесного
движителя, следующие: W = 29,77%; WL = 49,68 %; ρ0 = 1070,6 кг/м3; Q = 14,9
%; E = 1,9875 МПа. Графики, иллюстрирующие сходимость результатов
теоретических расчетов и полевых опытов, представлены на рисунках 4, 5.
ρотн
ρ
отн
(теор)
1,7
1,6
1,4
1,5
1,4
1,3
1,2
1,2
1,1
1
1
0
10
20
N
Рисунок 4 - Относительное уплотнение
почвогрунта в зависимости от числа
проходов машины: сплошная линия,
маркеры – экспериментальные
значения; пунктирная линия –
результаты теоретических расчетов
1
1,2
1,4
ρотн (эксп)
Рисунок 5 - Сравнение результатов
теоретических и экспериментальных
исследований (маркеры – теоретические
значения; сплошная линия –
экспериментальные значения)
ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ
1. Предлагаемая математическая модель
для относительного
уплотнения массива почвогрунта состоит из выражений (1) – (21).
Вспомогательные величины выражаются через физико-механические
18
свойства массива почвогрунта (значения этих параметров задаются в качестве
исходных данных, характеризующих свойства массива почвогрунта);
скорость движения машины; параметры пятна контакта (определяются по
выражениям (4) – (5) и, таким образом, зависят исходных данных,
относящихся к параметрам колеса); условное давление по формулам (18),
(19); величина нагрузки на колесо, зависящая от типа машины и рейсовой
нагрузки, которая определяется технологическими требованиями к процессу
трелевки. Реализация модели сводится к решению системы трансцендентных
уравнений (1), (18), (19) относительно глубины колеи, после чего
определяется составляющая общей деформации, вызванную сжатием массива
почвогрунта по формуле (2). Эта величина используется при оценке
относительного уплотнения массива почвогрунта по формуле (21).
2. По результатам обработки результатов расчетов установлено, что на
изменение механических свойств почвогрунтов при уплотнении оказывают
наибольшее влияние три независимых фактора: процентное содержание
глинистых частиц в грунте, отношение влажности грунта к влажности на
границе текучести, плотность сухого грунта естественного сложения. Общий
вид полученных аппроксимированных зависимостей для определения
физико-механических свойств почвогрунта в зависимости от относительного
уплотнения представлен формулами (26) – (28). В формулах (26) – (28)
коэффициенты,
учитывающие
соответственно
увеличение
модуля
деформации и свойств, определяющих сопротивление сдвигу (сцепление и
угол внутреннего трения), находятся по формулам (29), (30).
3. На практике для определения относительного уплотнения
почвогрунта предлагается использовать уравнение (31). Оценка уравнения
показала его удовлетворительное качество: коэффициент детерминации R2 =
0,961, т.е. совпадение результатов расчета по формуле (31) с расчетными
данными, полученными из решения системы уравнений (1), (18), (19),
практически
полное,
что
позволяет
рекомендовать
полученную
приближенную зависимость для практических расчетов. Проверка
сходимости результатов теоретических и экспериментальных исследований
(рисунки 4, 5) показала, что отличие теоретически рассчитанных значений
относительного уплотнения почвогрунта в зависимости от числа проходов
машины по трассе в проведенных опытах составило до 10 %, что можно
считать удовлетворительным показателем.
4. По результатам статистической обработки опытных данных (пример
на рисунках 2, 3) получены регрессионные модели для выражения связи
механических свойств почвы с ее влажностью и массой корней в образце (R2
> 0,9).
5. Разработана методика оценки механических свойств почвогрунтов в
сосновых и еловых одновозрастных древостоях, строящаяся на результатах
19
оценки механических свойств образцов лесного почвогрунта, получены
оценки для механических свойств почв в сосновых древостоях по формулам
(32) – (34) и еловых древостоях по формулам (35) – (37).
6. Регрессионная модель с учетом диапазона изменения коэффициента
фильтрации лесного почвогрунта в зависимости от его плотности
представлена уравнением (38). На практике полученную формулу (38) можно
использовать при прогнозировании фильтрационных свойств почвогрунтов
лесосеки и их изменения в результате работы лесозаготовительной техники
при реализации моделей уплотнения почвогрунта под воздействием
движителей лесных машин, при этом следует учитывать вариативность
коэффициента фильтрации.
Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:
1. Калистратов А.В., Иванов В.А., Коротков Р.К., Хитров Е.Г., Григорьев Г.В.
Исследование коэффициента фильтрации лесной почвы (случай дерновоподзолистой почвы). Системы. Методы. Технологии. 2014. № 2 (22). С. 190-193.
2. Бобжов В.Е., Калистратов А.В., Степанищева М.В. Исследование модуля
деформации лесной почвы в сосновых древостоях с учетом действия боковых
корней. Системы. Методы. Технологии. 2014. № 2 (22). С. 187-190.
3. Калистратов А.В., Никифорова А.И., Рудов М.Е., Хахина А.М. Влияние
свойств лесного почвогрунта на процесс его уплотнения. Воронежский научнотехнический Вестник. 2014. № 4 (10). С. 94-97.
4. Калистратов А. В., Григорьева О. И., Григорьев Г. В., Дмитриева И. Н. О
важности исследований экологической эффективности процесса трелевки // Наука,
образование, инновации в приграничном регионе: материалы республиканской
науч.-практ. конф. – Петрозаводск: ООО «Verso», 2015. С. 7 – 9.
5. I. Grigorev, E. Khitrov, A. Kalistratov, M. Stepanishcheva. Dependence of
filtration coefficient of forest soils to its density // 14th SGEM geoconference on water
resources. Forest, marine and ocean ecosystems, www.sgem.org, sgem2014 conference
proceedings, ISBN 978-619-7105-14-8 / ISSN 1314-2704, June 19-25, 2014, vol. 2, 339344 pp. DOI: 10.5593/sgem2014/b32/s14.046
6. I. Grigorev, E. Khitrov, V. Ivanov, A. Kalistratov, V. Bozhbov. New approach
for forest production stocktaking based on energy cost // 14th SGEM geoconference on
water resources. Forest, marine and ocean ecosystems, www.sgem.org, sgem2014
conference proceedings, ISBN 978-619-7105-14-8 / ISSN 1314-2704, June 19-25, 2014,
vol. 2, 407-414 pp. DOI: 10.5593/sgem2014/b32/s14.055
Просим принять участие в работе диссертационного Совета
Д.212.008.01 или прислать Ваш отзыв на автореферат в двух экземплярах с
заверенными подписями по адресу: 163002, Россия, г. Архангельск,
набережная Северной Двины, 17
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа