employee from 01.01.1996 until now
Voenno-vozdushnaya akademiya imeni professora N.E. Zhukovskogo i Yu.A. Gagarina (Kafedra obscheprofessional'nyh disciplin, docent)
employee from 01.01.2012 until now
Voronezh, Voronezh, Russian Federation
Work on the collection and raking of chopped residues in the territories of linear infrastructure facilities is often carried out by specialized equipment in-stalled on tractors or multifunctional machines and called «Forest rakes», moreover, the specified equipment can be classified according to a number of characteristics. Taking into account the significant influence of the subjective component identified by the author, which has an impact on the direct assignment of classified forest rakes to one or another element of the corresponding classification series, the purpose of the study was to develop a mathematical model for the classification of technical means for collecting and raking up chopped residues. The author substantiated the initial boundary conditions and presented a mathematical model for the formation of a visualized volume of distribution of the main design parameters of a forest rake, the values of the criterion of the density of the distribution of teeth of the means of mechanization of removal of cut residues, as well as the criterion of the specific width of these technical means, examples of the classification distribution of forest rake models according to the specified criteria are given, the assumptions and explanations for the considered mathematical model are stated, which makes it possible to carry out an objective classification of the means of mechanization of collection and raking of chopped residues, formulated conclusions based on the results of the study conducted by the authors
chopped residues, forest rake, classification, modeling, criteria, assumptions
Введение
При выполнении работ по очистке территорий от нежелательной поросли нередко в составе технологического процесса предусмотрена технологическая операция сбора и сгребания порубочных остатков [1, 3]. В случае выполнения указанной операции механическим способом [2] сбор и/или сгребание срезанной/вырубленной поросли осуществляется специализированным оборудованием, устанавливаемым на тракторах или многофункциональных машинах (рис. 1).
Указанное оборудование (с предложенным нами названием к применению в документации по организации работ, связанных с очисткой инфраструктурных территорий от нежелательной древесно-кустарниковой растительности, а именно – «лесные грабли», обоснование которого не входит в цели и задачи данного исследования) может быть классифицировано по целому ряду признаков, к которым относятся, например, назначение, вид и способ агрегатирования с базовым транспортным средством, а также ряд конструктивных особенностей, среди которых, в свою очередь, можно выделить классификационные признаки «Ширина захвата лесных граблей» и «Густота лесных граблей» (рис. 2).
Отметим, что классификационные ряды, соответствующие указанным классификационным признакам, подвержены значительному влиянию субъективной составляющей, оказывающей воздействие на непосредственное отнесение классифицируемых лесных граблей к тому или иному элементу соответствующего классификационного ряда.
Рисунок 1. Сбор и сгребание порубочных остатков
а) грабли лесные СВЛ-2,1 + трактор МТЗ-1523В;
б) грабли лесные Digga Stick Rake + многофункциональная машина Cat
(Источник – открытые данные производителей оборудования)
Figure 1. Collection and raking of felling residues
a) forest rake SVL-2,1 + tractor MTZ-1523V; b) forestry rake Digga Stick Rake + multifunctional machine Cat
(Source – open data from equipment manufacturers)
Рисунок 2. Компонент классификации лесных граблей
(Источник – собственная разработка авторов)
Figure 2. Forest rake classification component
(Source – authors' own development)
Рисунок 3. Примеры классифицируемых моделей лесных граблей
(Источник – открытые данные производителей оборудования)
Figure 3. Examples of classified forest rake models
(Source – open data from equipment manufacturers)
Подобным же образом более редкими могут показаться грабли Clearing Rake Woodcracker G850 (рис. 3, в; = 850 мм,
= 5,
= 32 мм) по сравнению с ЕМ 2200 G850 (рис. 3, г; Беларусь;
= 2300 мм,
= 5,
= 75 мм) ввиду одинакового количества зубьев, расположенных на меньшей ширине захвата (при выявленной нами фактически также одинаковой густоте указанных технических средств). Аналогично при сравнении лесных граблей с практически одинаковой шириной их захвата, например, вышеприведённых Clearing Rake Woodcracker G850 и Cat Excavator Rakes B-Linkage (с параметрами
= 840 мм,
= 3,
= 57 мм) может сложиться ложное впечатление о необходимости их отнесения к одному классификационному ряду, в то время как лишь комплексное рассмотрение параметров данных граблей позволило нам классифицировать их более точно.
Выполненный нами информационный поиск и анализ работ, посвящённых вопросам механизации удаления нежелательной поросли [4, 8] с территорий различных инфраструктурных объектов [7, 10], позволил выявить, что в настоящее время как отечественными [5, 9, 12], так и зарубежными исследователями [11] не уделяется должного внимания вопросам повышения эффективности и качества работы технических средств сбора и сгребания порубочных остатков, в том числе, вопросам их классифицирования.
Цель исследования
С учётом вышеизложенного, целью исследования является разработка математической модели классифицирования технических средств для сбора и сгребания порубочных остатков.
Для реализации сформулированной цели исследований нам необходимо было решить следующие задачи:
1. Выявить граничные критерии основных конструктивных параметров рассматриваемых технических средств.
2. Установить основную систему уравнений, позволяющих выполнить объективную классификацию технических средств для сбора и сгребания порубочных остатков.
Материалы и методы исследований
Объектом исследования являлся процесс функционирования системы надлежащего содержания ряда инфраструктурных объектов (полос отвода железных и автомобильных дорог, газопроводов, нефтепроводов, высоковольтных линий электропередач) и иных территорий.
Предметом исследования являлись технологические процессы удаления нежелательной древесно-кустарниковой растительности с территорий ряда инфраструктурных объектов и средства механизации, применяемые при выполнении соответствующих технологических операций.
Материалами исследований являлась актуальная на момент выполнения работы научно-техническая информация, в частности каталоги технических средств сбора и сгребания нежелательной растительности, размещённые на официальных сайтах производителей указанной техники.
Для решения поставленных задач были применены методы математического моделирования и оптимизации (в частности – метод дихотомии, при выявлении экстремума критической ширины лесных граблей).
Результаты исследований и их обсуждение
Для корректного описания математической модели нами были введены следующие начальные граничные критерии моделирования распределения основных конструктивных параметров лесных граблей:
(1)
В качестве целевой функции моделирования был принят объём распределения основных конструктивных параметров лесных граблей .
Выполним пояснения к вышеуказанным величинам граничных критериев. Принятое нами количество зубьев обусловлено тем, что по современным представлениям сельско- и/или лесохозяйственные грабли, выполняющие очистку поверхности механическим способом, являются орудием, снабжённым несколькими выступающими рабочими элементами (зубьями), форма, размеры и расстояния между которыми определяется назначением и областью применения данных граблей. При технологической операции сбора (сгребания) [6] рабочие элементы граблей, взаимодействуя с удаляемыми объектами, увлекают их за собой в направлении, заданном движением базовой машины (или отдельного привода данных граблей). При этом уменьшение количества зубьев до одного (
) вызывает затруднения в части увлечения растительности в требуемом направлении, переводя соответствующее оборудование в разряд «рыхлители», при этом нулевое количество зубьев (
) характерно для отвалов и ковшей.
Принятый нами в исследование диапазон ширины захвата лесных граблей мм был обусловлен следующим. Выполненным нами анализом основных конструктивных параметров современных отечественных и зарубежных моделей лесных граблей было выявлено фактическое отсутствие рассматриваемых технических средств с шириной захвата
мм и одновременно с этим крайне низкую долю (3,08%) лесных граблей с диапазоном размеров
мм, например, Yantai Jiangtu JT04 (Китай,
мм,
), Kenco KCER24 (США,
мм,
), ЛГ-82/2 (Россия,
мм,
) и т.д. С учётом этого, нами было принято решение установить первоначальную величину
мм. Аналогично нами была выявлена крайне низкая доля (3,71%) лесных граблей с диапазоном размеров
мм, например, Ransome Semi-Low Profile Dozer Rakes (США,
мм,
), Wallace Industrial Tractor Rake и Kenco RK02-144 (США, с параметрами
мм,
). С учётом полученного незначительного количества моделей экстра-широких граблей (> 4000 мм; около 1,46% от общего количества проанализированных моделей), нами было принято решение установить первоначальную величину
мм. Отдельно отметим, что ввиду выявленной нами в процессе проведения исследований выраженной точки экстремума для верхней условной границы зоны средне-широких граблей
= 4224,892 мм при
= 61,112 мм (рис. 4), в разработанной математической модели классифицирования лесных граблей в качестве граничного значения был принят рассмотренный ниже параметр
= 4224,892 мм.
В части принятого нами в исследование диапазона ширины одного зуба лесных граблей мм отметим следующее. Анализ выборки данных позволил выявить фактическое отсутствие лесных граблей с шириной одного зуба
мм и одновременно с этим низкую долю (8,07%) лесных граблей с диапазоном ширины одного зуба
мм, например, NM Mini Root Rake (Канада,
мм,
,
мм), вышеупомянутые ЛГ-82/2 (
мм), Digga Stick Rake (Австралия,
мм,
,
мм) и т.д. С учётом вышеизложенного, а также приняв во внимание, что в англоязычных странах (США, Великобритания, Австралия, ЮАР и т.д.) распространена дюймовая система измерений, нами было принято решение установить величину
мм (1/2 дюйма: 25,4/2 = 12,7 мм). Аналогично нами была выявлена крайне низкая доля (4,32%) лесных граблей с диапазоном ширины одного зуба
мм, например, ЕМ 2200 (Беларусь,
мм,
,
мм), TRK Severe Duty Rake (Канада,
мм,
,
мм) и т.д. При этом лишь для одной модели граблей нами была выявлена ширина одного зуба с величиной
, а именно, для граблей TRK Severe Duty Scoop Rake (Канада) ширина
мм. С учётом вышеизложенного, а также приняв во внимание рассуждения о дюймовой системе измерений, нами было принято решение установить величину
мм (1 дюйм: 25,4∙4 = 101,6 мм).
В целом математическая модель образования визуализированного объёма распределения основных конструктивных параметров лесных граблей была сформирована нами в следующем виде:
где – критерий удельной ширины лесных граблей (рис. 4);
– критерий густоты распределения зубьев (табл. 1);
– критерий ширины зубьев;
– множество чисел;
– множество целых чисел:
;
– количество зубьев лесных граблей:
;
– ширина захвата лесных граблей, мм:
;
– ширина одного зуба лесных граблей, мм:
;
– расстояние между двумя соседними зубьями лесных граблей, мм;
– нижняя (минимальная) граница распределения экстра-широких лесных граблей, мм (кривая 1, рис. 4);
– граница разделения зон широких и средне-широких лесных граблей, мм (кривая 8, рис. 4);
– корректированная граница разделения зон широких и средне-широких лесных граблей, мм (кривая 2, рис. 4);
– граница разделения зон средне-широких и нормальных по ширине лесных граблей, мм (кривая 7, рис. 4);
– корректированная граница разделения зон средне-широких и нормальных по ширине лесных граблей, мм (кривая 3, рис. 4);
– граница разделения зон нормальных и узких по ширине лесных граблей, мм (кривая 4, рис. 4);
– граница разделения зон узких и экстра-узких лесных граблей, мм (кривая 5, рис. 4);
– критическая (минимальная) ширина захвата лесных граблей, мм (кривая 6, рис. 4).
Значения критерия густоты распределения зубьев лесных граблей приведены в табл. 1.
Укажем следующие допущения и пояснения к математической модели классифицирования технических средств для сбора и сгребания порубочных остатков:
1. Минимальная и максимальная ширина зубьев лесных граблей на практике выходит за рамки указанного нами диапазона и определяется конструктивно-технологическими, экономическими и целеполагающими ограничениями, накладываемыми производителем соответствующих технических средств и/или их потребителем (эксплуатирующей организацией).
Таблица 1
Критерий густоты распределения зубьев
Table 1
Criterion for the density of distribution teeth
|
Критерий Criterion |
| |
Характеристика лесных граблей Characteristics of the forest rake |
|
0 … 0,04 |
экстра-густые | extra-bushy |
|
|
0,04 … 0,09 |
густые | bushy |
|
|
0,09 … 0,25 |
нормальные | normal |
|
|
0,25 … 0,5 |
редкие | rare |
|
|
0,5 … 1,0 |
экстра-редкие | extra-rare |
|
Источник: собственные вычисления авторов
Source: own calculations
2. Верхняя (максимальная) граница распределения экстра-широких лесных граблей является теоретически бесконечной, при этом её практические ограничения аналогичны ограничениям, указанным в п. 1 данных допущений (пояснений).
3. Расстояние между зубьями лесных граблей принимается одинаковым (в пределах установленных производителем допустимых отклонений).
4. Размеры усиливающих конструктивных элементов, приводящих к увеличению ширины зубьев на ограниченном участке их длины, не учитывались.
5. Достижение граничного критерия ширины зубьев лесных граблей = 0 соответствует переходу лесных грабель в категорию «Отвалы, ковши», а
= 1 – в категорию «Лесные щётки».
В соответствии с разработанной нами математической моделью на рис. 4 и 5 приведены примеры классификационного распределения лесных граблей по критерию удельной ширины граблей и критерию густоты зубьев
:
Рисунок 4. Классификационное распределение лесных граблей по критерию удельной ширины граблей
(Источник – собственная разработка авторов)
Figure 4 Classification distribution of forest rakes according to the criterion of the specific width of the rake (Source - authors' own development)
Рисунок 5. Классификационное распределение моделей лесных граблей по критерию густоты зубьев
(Источник – собственная разработка авторов)
Figure 5. Classification distribution of forest rake models according to the criterion of tooth density
(Source - authors' own development)
Выводы и рекомендации
1. При выполнении классификации лесных граблей субъективная составляющая оказывает значительное влияние на результат отнесения рассматриваемых технических средств к тому или иному элементу соответствующего классификационного ряда, что обуславливает необходимость осуществления математического моделирования распределения ряда признаков лесных граблей.
2. Преимущественное распределение основных конструктивных параметров лесных граблей находится в диапазонах: ширина захвата 500…4000 мм, ширина одного зуба 12…100 мм, количество зубьев .
3. Достижение граничного критерия ширины зубьев лесных граблей = 0 соответствует переходу лесных грабель в категорию «Отвалы, ковши», а
= 1 – в категорию «Лесные щётки». Более 50% лесных грабель относятся к нормальным по густоте распределения зубьев, фактически отсутствуют экстра-редкие лесные грабли с количеством зубьев
.
4. Для корректного описания применяемых в ряде технологических процессов лесных граблей рекомендуем организациям, занимающимся удалением нежелательной поросли с ряда инфраструктурных объектов, применение критериев густоты распределения зубьев и удельной ширины граблей.
1. Bartenev I. M., Drapalyuk M. V., Kazakov V. I. Sovershenstvovanie tehnologiy i sredstv mehanizacii lesovosstanovleniya: monografiya. Moskva : FLINTA-Nauka, 2013. 208 s. ISBN 978-5-9765-1746-2.
2. Grigor'ev I. V., Zhukova A. I., Grigor'eva O. I., Ivanov A. V. Sredoschadyaschie tehnologii razrabotki lesosek v usloviyah Severo-Zapadnogo regiona Rossiyskoy Federacii: monografiya. Sankt-Peterburg : SPbGLTU, 2008. 176 s. ISBN 978-5-9239-0118-4.
3. Zaprudnov V. I., Karpachev S. P., Bykovskiy M. A. Tehnologii i tehnicheskie sredstva processov lesosechnyh rabot. Lesnoy vestnik. Forestry Bulletin. 2017;21(1): 108-117. DOI:https://doi.org/10.18698/2542-1468-2017-1-108-117.
4. Mihaylov K. L., Guschin V. A., Tarakanov A. M. Organizaciya sbora i pererabotki lesosechnyh othodov i drov na lesoseke. Izvestiya vysshih uchebnyh zavedeniy. Lesnoy zhurnal. 2016;6(354): 98-109. DOI:https://doi.org/10.17238/issn0536-1036.2016.6.98.
5. Myasischev D. G. Potencial maloy mehanizacii v lesohozyaystvennyh tehnologicheskih processah. Izvestiya vysshih uchebnyh zavedeniy. Lesnoy zhurnal. 2018;1(361): 70-79. DOI:https://doi.org/10.17238/issn0536-1036.2018.1.70.
6. Platonov A. A. Issledovanie i sistematizaciya suschestvuyuschih tehnologicheskih processov udaleniya nezhelatel'noy rastitel'nosti. Sistemy. Metody. Tehnologii. 2020;3(47): 63-73. DOI:https://doi.org/10.18324/2077-5415-2020-3-63-73.
7. Eck R. W., McGee H.W. Vegetation Control for Safety. Washington: U.S. Departament of Transportation, 2008.
8. Ivashnev M. V., Vasiliev A. S., Shegelman I. R. Synthesis methodology of patentable technical solutions: a case of equipment for removing tree and shrubbery vegetation. Astra Salvensis. 2018;6: 531-540.
9. Karpachev S. P., Zaprudnov V. I., Bykovskiy M. A., Karpacheva I. P. Simulation studies on line intersect sampling of residues left after cut-to-length logging. Croatian Journal of Forest Engineering. 2020; 41(1): 95-107. DOI:https://doi.org/10.5552/crojfe.2020.531.
10. Markowski K. Road safety aspects in the management of road maintenance. MATEC Web of Conferences. 2017;122: 02009. DOI:https://doi.org/10.1051/matecconf/20171220.
11. Schroth G. A Review of belowground interactions in agroforestry, focussing on mechanisms and management options. Agroforestry Systems. 1998;43(1-3): 5-34. DOI:https://doi.org/10.1023/A:1026443018920.
12. Shegelman I. R., Budnik P. V., Baklagin V. N. Simula-tion modeling of truck load of skidding tractors with a grapple for chokerless skidding. Croatian Journal of Forest Engineering. 2019;40(2): 297-310. DOI:https://doi.org/10.5552/crojfe.2019.567.
