Russian Federation
Uhta, Russian Federation
Russian Federation
Russian Federation
The study is theoretical in nature and is based on the analysis of the numerical solution of the equation of rutting on forest soil, taking into account the loss of bearing capacity. The analysis of the results of a computational experiment performed by varying the mechanical properties of the soil, the angle of slope and the weight of the wheel mover allowed us to obtain a comprehensive assessment of the cross-country ability of the wheel mover of a forest machine operating on a terrain with a slope, on rough terrain. For the first time, formulas based on the results of processing calculated data were obtained, intended for practical justification of the permissible parameters of the wheeled propulsion of a forest machine operating on a slope. The calculated data obtained prove the importance of taking into account the angle of the slope on which wheeled forestry machines operate, from the point of view of practical justification of the permissible load parameters of the wheeled propulsion. The simulation results showed that with an insignificant slope angle of 5o, in order to ensure the supporting cross-country ability of the wheel mover, the weight allowed on the horizontal support surface should be reduced by 20-25%, with an angle of 10o, the required reduction in the weight of the mover is 40-50%. On relatively steep slopes from 15° and above, a decrease of 65% or more from the value allowed for operation on a horizontal support surface is required. This makes it possible to recommend equipping wheeled forestry machines with self–propelled winches already at slope angles of 10 - 15o to ensure the supporting cross-country ability of the propellers. The estimation of the required power is possible based on the results of the calculation of the coefficient of resistance to movement. It was found that at relatively small slope angles, up to 5 °, the assessment of the depth of the track at a weight acceptable according to the criterion of support patency is higher than 0.20 m, recommended from the point of view of environmental friendliness of the propulsion. With the weight of the mover acceptable according to the criterion of passability on steeper slopes, the estimated track depth is significantly less than 0.20 m, however, the actual deformation and damage to the soil will be higher, which is due to the impact of the mover's ground hooks. Nevertheless, while ensuring the cross-country ability of vehicles through the use of self-propelled winches, it is possible to predict a "reserve" increase in the permissible weight of the propulsion. Taking into account the above circumstances, in the future it is advisable to conduct separate studies aimed at studying the environmental friendliness of wheeled propellers of forest machines operating on slopes.
traction properties, track formation, bearing capacity, angle of resultant load, forest soils
Введение
Научные знания о механизмах взаимодействия движителей машин с различными типами опорных поверхностей являются ключевым элементом научной базы, необходимой как для проектирования технологических процессов, так и для создания конструктивных элементов лесных машин. Эти сведения оказываются незаменимыми при разработке современных, экологически безопасных и высокоэффективных технологий, способных минимизировать воздействие на почвенный покров в ходе лесозаготовительных работ. Более того, подобные знания критично важны для формирования усовершенствованных образцов колесной и гусеничной техники, адаптированной к эксплуатации в целой гамме сложных и экстремальных природных условий. К числу таких условий относятся лесные почвогрунты, демонстрирующие значительную подверженность деформациям под движителями, а также особо сложные среды, включающие избыточно увлажнённые или заболоченные территории, глубокий снежный покров, рыхлые и нестабильные грунты.
Актуальность исследований в этой области стремительно возрастает в свете современных стратегических приоритетов, направленных на замещение импортной лесной техники отечественными аналогами. Реализация данной задачи требует разработки высокотехнологичных и конкурентоспособных решений, способных не только соответствовать мировым стандартам, но и удовлетворять специфическим требованиям российской лесной отрасли. Разработка таких машин невозможна без глубокого понимания процессов распределения давления движителей на грунт, оценки сцепных характеристик и
анализа механики деформации почвы в условиях значительных нагрузок [1,2].
В отечественной науке изучение вопросов взаимодействия движителей лесных, сельскохозяйственных и других машин с различными поверхностями, включая почвы и грунты, ведется на протяжении десятилетий специалистами в разных отраслях. Исследования охватывают задачи, связанные с сельским и лесным хозяйством, строительной индустрией, эксплуатацией специальной военной техники. Сформировалась научная основа, включающая теорию движения автомобильного транспорта по бездорожью.
Теоретические положения этой науки имеют межотраслевое значение: они успешно применяются для решения проблем лесозаготовительного производства, где взаимодействие движителя с почвенной средой является ключевым фактором.
Базовые положения этой научной теории опираются на основные законы механики: механику грунтов, механику контактного взаимодействия и механику деформируемого тела. Эти разделы механики лежат в основе понимания процессов передачи тяговых усилий через движитель на почвогрунт, а также управления параметрами проходимости транспортных средств по деформируемым средам [3]. Благодаря этим теоретическим разработкам оказалось возможным прогнозировать поведение машин в условиях сложного рельефа и нестабильных почв, разрабатывать конструктивные решения, учитывающие особенности взаимодействия подвижных систем с почвенной средой, и апробировать новые технологические подходы, направленные на минимизацию разрушающего воздействия на почвенный покров.
Аналогичные исследования ведутся и за рубежом, где сформировалась отдельная научная область исследований, известная как "террамеханика" (terramechanics). Этот термин обозначает применение механики грунтов для анализа процессов взаимодействия движителей машин с различными типами опорных поверхностей. Основной акцент террамеханики сделан на изучении и моделировании взаимодействия движителей колесных и гусеничных машин с почвами, грунтами и другими деформируемыми поверхностями. Этот научный подход активно используется в разнообразных отраслях: от сельского хозяйства и строительства до проектирования внедорожной и военной техники. Проблемное поле исследований террамеханики охватывает такие критически важные вопросы, как сцепные свойства движителей, величина и распределение давления на грунт, энергоэффективность движения по мягким и наклонным поверхностям.
По сравнению с отечественными исследованиями, международные работы отличаются акцентом на цифровую обработку данных, моделирование сложных грунтовых условий и применение машинного обучения для создания предсказательных моделей проходимости техники. Таким образом, научные исследования и теоретические разработки, связанные с взаимодействием движителей лесных машин с опорными поверхностями, формируют междисциплинарное научное поле и играют ключевую роль в науке и практике проектирования современной техники. Эти исследования также обеспечивают инструменты и подходы для повышения экологичности и эффективности технологий в лесозаготовительной отрасли. Сравнение отечественного и зарубежного опыта показывает, что они взаимно дополняют друг друга: отечественные подходы сильны в фундаментальной теории, в то время как международные исследования акцентируются на разработке адаптивных технологий для внедрения в сложные эксплуатационные условия
Обоснование параметров и режимов работы движителей лесных машин является классической научной задачей лесоинженерного дела. Ранее были представлены положения, прогнозирующие показатели колееобразования, коэффициенты сопротивления движению, сцепления и тяги для колесных и гусеничных движителей лесной техники, работающей в условиях лесных почвогрунтов различных категорий прочности [4]. Положения получили развитие и активно используются исследователями в рамках научной школы «Инновационные разработки в области лесозаготовительной промышленности и лесного хозяйства» Арктического государственного агротехнологического университета. В основе разработанных математических моделей лежат уравнения механики грунтов [5], связывающие показатели деформирования почвогрунтов, их механические свойства и характеристики воздействия движителей лесных машин на опорную поверхность, такие как вес либо давление, форма пятна контакта, время воздействия и проч. Результативно выполнена реализация таких моделей [4]: получены практические оценки проходимости и экологичности лесной техники как при прямолинейном движении, так и при движении с поворотом. Для реализации моделей использован вычислительный эксперимент с последующей верификацией расчетных данных путем сопоставления с полевыми и лабораторными опытными данными, а также со сведениями независимых источников. Принципиально, математические модели позволяют учесть направление вектора приложения нагрузки к опорной поверхности и ее уклон [5], что необходимо при изучении движения лесных машин по крутым склонам. Получены результаты оценки тягово-сцепных свойств и повреждаемости почвогрунтов склонов для гусеничных движителей [5]. Ведутся исследования в области моделирования свойств и обоснования допустимых показателей воздействия лесной техники на оттаивающие грунты склонов в арктических и субарктических условиях [6]. Изложена общая постановка задачи и получены частные оценки показателей колееобразования и проходимости колесных лесных машин, работающих на склонах [7]. Тем не менее, проблематика обоснования параметров и режимов работы движителей колесных лесных машин, предназначенных для условий сильно пересеченной местности, изучена не в полной мере. Не представлены результаты, позволяющие обосновать допустимый вес либо давление колесного движителя по пятну контакта при варьировании уклона опорной поверхности в диапазоне, соответствующем природно-производственным условиям нашей страны. Отсутствуют результаты, позволяющие в перспективе оценить и обосновать мощность двигателя лесных машин, работающих на склонах. Важно отметить, что изучение движения машин на пересеченной местности актуально и для зарубежных исследователей, что отмечается в статьях в ведущих отечественных и зарубежных научных журналах. Проблематика считается сложной с точки зрения теоретической проработки, применяются современные методы математического и численного моделирования, такие как метод конечных элементов [7-10], аппарат теории клеточных автоматов [8]. Результаты представляют интерес не только для лесоинженерной области, но и для природопользования [15] и механики грунтов в целом [10; 11-14, 16]. Для получения дальнейших практических результатов требуются отдельные исследования, чему и посвящена настоящая статья.
1. Linstrom B. V., Els P. S., Botha T. R. A real-time non-linear vehicle preview model // Int. J. Heavy Veh. Syst. 2018; 25: 1-22. https://doi.org/10.1504/IJHVS.2018.089893.
2. Manukovsky A. Y., Grigorev I. V., Ivanov V. A., Gasparyan G. D., Lapshina M. L., Makarova Yu. A., Chetverikova I. V., Yakovlev K. A., Afonichev D. N., Kunitskaya O. A. Increasing the logging road efficiency by reducing the intensity of rutting: mathematical modeling. Journal of Mechanical Engineering Research and Developments. 2018; 41 (2):35-41.
3. Zhuk A. Yu., Hahina A. M., Grigorev I. V., Ivanov V. A., Gasparyan G. D., Manukovsky A. Y., Kunitskaya O. A., Danilenko O. K., Grigoreva O. I. Modelling of indenter pressed into heterogeneous soil // Journal of Engineering and Applied Sciences. 2018; 13 (S8): 6419-6430.
4. Hitrov E.G. Analiz sostavlyayuschih glubiny kolei, obrazuyuscheysya pod vozdeystviem dvizhitelya lesnoy mashiny na pochvogrunt // Resources and Technology. 2019; 16 (4): 76-93.
5. Kalyashov V.A., Do Tuan A., Hitrov E.G., Grigor'eva O.I., Gur'ev A.Yu., Novgorodov D.V. Sovremennye sistemy mashin i tehnologii zagotovki drevesiny i lesovosstanovleniya v usloviyah gornyh lesosek // Resources and Technology. 2022; 19 (2):1-47.
6. Kalyashov V.A., Shapiro V.Ya., Grigor'ev I.V., Kunickaya O.A., Dolzhikov I.S., Druz'yanova V.P. Formirovanie kolei dvizhitelem lesnoy mashiny na sklone ottaivayuschego pochvogrunta kriolitozony s uchetom effekta soliflyukcii // Izvestiya vysshih uchebnyh zavedeniy. Lesnoy zhurnal. 2024; 3 (399):140-152.
7. Hitrov E.G., Bartenev I.M. Vliyanie ugla poperechnogo naklona poverhnosti kacheniya na tyagovo-scepnye svoystva kolesnogo dvizhitelya // Lesotehnicheskiy zhurnal. 2016; 6 (4 (24)): 225-232.
8. Do T.A., Zlobina N.I., Kalyashov V.A., Gur'ev A.Yu., Grigor'eva O.I., Hitrov E.G. Teoreticheskie issledovaniya vliyaniya ugla sklona na nesuschuyu sposobnost' pochvogrunta pri rabote lesnyh mashin // Derevoobrabatyvayuschaya promyshlennost'. 2022; 2:18-27.
9. Do T.A., Grigor'ev G.V., Kalyashov V.A., Novgorodov D.V., Grigor'eva O.I., Hitrov E.G. Ocenka tyagovo-scepnyh svoystv dvizhitelya lesnoy gusenichnoy mashiny, rabotayuschey na sklone // Sistemy. Metody. Tehnologii. 202; 2 (54): 78-84.
10. Do T.A., Grigor'ev G.V., Kalyashov V.A., Gur'ev A.Yu., Grigor'eva O.I., Hitrov E.G. Teoreticheskie issledovaniya raboty lesnyh mashin s gusenichnym dvizhitelem na sklonah // Resources and Technology. 2022; 19. (3):1-29.
11. Do T.A., Grigor'ev G.V., Kalyashov V.A., Novgorodov D.V., Grigor'eva O.I., Hitrov E.G. Metodika i rezul'taty eksperimental'nyh issledovaniy vozdeystviya lesnyh mashin s gusenichnym dvizhitelem na pochvogrunty na sklonah // Resources and Technology. 2022; 19 (4):64-84.
12. Kalyashov V.A., Grigor'ev I.V., Grigor'eva O.I. Sravnitel'nyy analiz vidov trelevki na gornyh sklonah // Vestnik AGATU. 2022; 2 (6):41-59.
13. Kalyashov V.A., Grigor'eva O.I., Grigor'ev I.V. Perspektivnye varianty vosstanovleniya lesov na sklonah // Vestnik AGATU. 2022; 1 (5): 86-96.
14. Kalyashov V.A., Do T.A., Grigor'eva O.I., Gur'ev A.Yu., Novogorodov D.V. Sovremennye tehnicheskie resheniya dlya obespecheniya bezopasnoy raboty lesnyh mashin na gornyh sklonah // Bezopasnost' i ohrana truda v lesozagotovitel'nom i derevoobrabatyvayuschem proizvodstvah. 2022; 2:11-25.
15. Akbuliakova E.N., Ponomaryov A.B. Analysis of the water saturation influence on the strength characteristics of eluvial soils // Construction and Geotechnics. 2024; 15 (1):83-90.
16. Hitrov E.G., Kotenev E.V., Andronov A.V., Il'yushenko D.A., Pushkov Yu.L. O sopostavlenii srednego i nominal'nogo davleniya dvizhitelya lesnoy mashiny na pochvogrunt // Izvestiya Sankt-Peterburgskoy lesotehnicheskoy akademii. 2019; 229:185-195.
