Россия
Якутск, Россия
Актуальность исследования обусловлена необходимостью минимизировать деградацию слабонесущих лесных почв при возрастающих нагрузках от современной колесной техники, особенно в условиях сложного рельефа и переувлажнения. Цель исследования -комплексное изучение взаимодействия колесных лесных машин с влажными слабонесущими почвогрунтами на склонах с учетом критического фактора – буксования движителей. Для ее достижения разработана математическая модель, устанавливающая взаимосвязь между буксованием, образованием колеи и угловыми отклонениями машины. В результате проведенного моделирования установлено, что даже при низком уровне буксования (δ=0,02) предел прочности грунта на сдвиг снижается катастрофически – с 18,54 кПа до 7,49 кПа, что составляет падение на 60%. При увеличении влажности грунта до предела текучести (W=41%) его прочность дополнительно уменьшается на 50%. Определено, что комбинированное воздействие буксования и переувлажнения приводит к снижению сопротивления сдвигу до критических значений в 3–3,5 кПа. В этих условиях внешнее давление на грунт не должно превышать 10–15 кПа. Расчеты показали, что допустимый угол маневрирования на крутых склонах (>20°) при сильном буксовании не должен превышать 10–15°, а на пологих склонах с минимальным буксованием может достигать 20–25°. Полученные результаты доказывают, что буксование является определяющим фактором деградации слабонесущих грунтов и должно быть ключевым параметром при планировании лесозаготовительных операций для минимизации экологического ущерба.
колесные лесные машины, трелевочные системы, почвогрунт, буксование, лесные машины
Текст (PDF): Читать Скачать
Текст (PDF): Читать Скачать
Текст (PDF): Читать Скачать
Текст (PDF): Читать Скачать
Введение
Современные лесозаготовительные процессы характеризуются высокой степенью механизации, что обеспечивает экономическую эффективность операций, но одновременно создает серьезные вызовы для устойчивости лесных экосистем. В данном контексте особую актуальность приобретает комплексное изучение воздействия лесозаготовительной техники на почвенный покров, особенно в сложных топографических и почвенных условиях.
Переходя к анализу непосредственных последствий механического воздействия, следует отметить, что многочисленные исследования демонстрируют значительное уплотнение почвы под воздействием колесной лесной техники. В этом отношении Petrosyan et al. (2022) [22] разработали математические модели, устанавливающие корреляцию между глубиной колеи и параметрами машины (масса, размеры колес, давление в шинах) при различных значениях несущей способности почвы. Полученные зависимости позволяют определять допустимые нагрузки на почвенный покров для минимального экологического ущерба.
Развивая этот подход, Riggert et al. (2018) [21] разработали комплексную схему оценки деградации почв, вызванной лесозаготовительной техникой, выделив четыре ключевых процесса деформации: упругую деформацию, пластическую деформацию, разрушение несущей способности и гомогенизацию структуры почвы.
Эмпирические исследования подтверждают теоретические выкладки. Так, Baek et al. (2022) [2] продемонстрировали, что после проходов харвестера уплотнение почвы увеличилось на 17% на глубине 0-10 см и на 27% на глубине 10-20 см. В трассах форвардера уплотнение было еще более значительным - 30% и 20% на соответствующих глубинах. Аналогичные результаты получили Presecan et al. (2024) [19], подтвердившие значительное увеличение сопротивления пенетрации почвы после 15 проходов техники для трелевки.
Следующим важным аспектом воздействия является образование колеи. Startsev et al. (2022) [5] установили, что после трех проходов техники средняя глубина колеи составляет 11 ± 3 см, тогда как после десяти проходов она может достигать 66 см со средним значением 27 ± 4 см. Erktan, A et al. (2023) [6] подтвердили, что сухая объемная плотность почвы увеличивается с глубиной колеи, достигая максимальных значений в середине полосы движения.
Рассматривая гидрологические аспекты, следует отметить, что исследования показывают значительное ухудшение характеристик почв на трелевочных волоках. Насыщенная гидравлическая проводимость была наименьшей в самых глубоких колеях, что также касалось пористости почвы, в первую очередь из-за уменьшения количества крупных пор.
Анализируя факторы воздействия, необходимо прежде всего рассмотреть влияние типа и веса техники. Сравнительные исследования демонстрируют значительные различия в воздействии различных типов техники. Presecan et al. (2024) [18] установили, что трелевка лошадьми оказывает наименьшее воздействие на сопротивление пенетрации почвы, в то время как трелевка тракторами приводит к более значительным изменениям.
Дальнейшее развитие этот подход получил в работе Шапиро и др. (2025) [25], где было установлено, что машины с конфигурацией 4×4 и 6×6 вызывают уплотнение почвы на 23-50% уже после первых четырех проходов. При этом наименьшее повреждение лесных почв (21-31%) отмечается при движении скидеров в груженом и порожнем состоянии.
Количество проходов техники является критическим фактором, определяющим степень нарушения почвы. Muhdi et al. (2022) [16] продемонстрировали, что плотность почвы увеличивается с ростом интенсивности трелевки: после 5, 10 и 15 проходов экскаватора. Startsev et al. (2022) [5] подтвердили, что количество проходов-нарушителей является решающим фактором в изменениях почвы.
Важным параметром, определяющим степень воздействия, является влажность почвы во время операций. Germer et al. (2025) [7] установили, что механическая подготовка участка (MSP), проводимая в сухой период, дает лучшие результаты для роста корней по сравнению с MSP, выполненной в влажный период. Это связано с тем, что влажные почвы более склонны к пластической деформации и имеют меньшую несущую способность.
Завершая рассмотрение факторов воздействия, следует отметить влияние типа почвы. Riggert et al. (2018) [21] разработали схему оценки, различающую внутренние параметры почвы (миграция глины, матричный потенциал) и внешние параметры (нагрузка на колесо, площадь контакта). Исследования показывают, что глинистые почвы более склонны к уплотнению, чем песчаные.
В контексте прогнозирования воздействия особый интерес представляют топографические индексы. Ученые исследуют методы прогнозирования проходимости почвы с использованием картографических индексов, таких как глубина до воды (DTW) и топографический индекс влажности (TWI). Однако мета-анализ Latterini et al. (2024) [12] показал, что индекс DTW в его текущей форме не является полностью надежным предсказателем участков почвы, чувствительных к нарушениям, вызванным техникой.
Математическое моделирование представляет перспективное направление в оценке воздействия. Разработана аналитическая модель для анализа несущей способности зимних лесных дорог, которая сокращает количество необходимых расчетов и улучшает прогнозы грузоподъемности. Karnaukhov et al. (2023) [9] представили методологию расчета оптимальных параметров гусеничного лесного погрузчика.
Переходя к стратегиям минимизации воздействия, следует прежде всего рассмотреть оптимизацию конструкции техники. Подрубалов и Мекедов (2023) [23] предложили методы улучшения ключевых показателей колесных тракторов на склонах: блокировку дифференциала, понижение центра тяжести, использование шин с высокими проушинами, дополнительных стальных колес и расширителей.
Особого внимания заслуживает исследование Makunina et al. (2023) [14], доказавшее эффективность трехосной компоновки скидеров. Установлено, что такое решение позволяет снизить удельное давление на грунт до 74,7 кПа против 102,8 кПа у двухосных аналогов, что существенно улучшает проходимость и уменьшает перегрузку задней оси в условиях ограниченной несущей
В контексте системного подхода к минимизации экологического воздействия представляет интерес комплексный анализ Labelle et al. (2021) [11], выделивший три ключевых направления оптимизации:
-модификации машин (использование шин с высоким профилем и снижение давления в шинах)
-применение дополнительных средств защиты (щебеночные маты из остатков заготовки)
-совершенствование операционного планирования (внедрение карт проходимости с актуальными метеоданными)
Рассматривая вопросы энергоэффективности, следует отметить исследование Prinz et al. (2023) [20], установившее прямую зависимость расхода топлива форвардеров от количества проходов по одному участку. Примечательно, что грузоподъемность машины не оказывает статистически значимого влияния на расход топлива, что смещает акцент на оптимизацию маршрутов движения.
Перспективным направлением развития лесной техники является внедрение гибридных силовых установок. Šušnjar et al. (2023) [15] на основе экспериментальных данных продемонстрировали потенциальную эффективность гибридных скидеров, способных значительно снизить расход топлива и выбросы загрязняющих веществ.
Среди альтернативных технологий Mahura et al. (2023) [13] подтвердили эффективность устройства «ходячие сани» для трелевки в сложных условиях болотистых местностей, которое сочетает преимущества скользящих и колесных движителей. Nunes et al. (2023) [18] исследовали потенциал тяги животных как альтернативного метода восстановления остаточной древесной биомассы.
Лесоводственные методы также вносят значительный вклад в минимизацию воздействия. Karami et al. (2022) [8] исследовали среднесрочные эффекты двух методов лесоводства - метода однократного выбора и метода группового выбора - на характеристики почвы, показав, что метод однократного выбора вызывает меньшие нарушения. Nieminen et al. (2023) [17] изучили влияние непрерывного земледелия и одновозрастного лесоводства на нагрузку азотом и фосфором из лесных водосборных районов.
Завершая анализ воздействия, необходимо рассмотреть вопросы восстановления нарушенных почв. Исследования показывают, что процесс восстановления почв после механических воздействий требует значительного времени. Karami et al. (2022) [8] установили, что для восстановления почвы до условий до рубки требуется не менее 3 лет. Startsev et al. (2022) [5] отметили, что отрастание основных видов деревьев в первый год после рубки чрезвычайно неравномерно, а в зонах с сильным нарушением не наблюдается отрастания.
Проведенный анализ демонстрирует значительный прогресс в понимании воздействия лесозаготовительной техники на почвенные экосистемы и разработке стратегий его минимизации. Однако, несмотря на разнообразие рассмотренных подходов и методов, тема особенностей маневрирования колесных лесных машин и трелевочных систем на склонах слабонесущих почвогрунтов с учетом эффекта буксования остается недостаточно изученной и требует продолжения исследований.
Актуальность данной проблематики обусловлена необходимостью обеспечения устойчивого лесопользования в условиях сложного рельефа и ограниченной несущей способности грунтов. Дальнейшие исследования должны быть сосредоточены на разработке комплексных моделей, учитывающих взаимовлияние конструктивных параметров техники, почвенно-грунтовых условий и топографических особенностей территории, включая динамические аспекты взаимодействия движителей с грунтом при маневрировании на склонах.
Цель исследования - комплексное изучение взаимодействия колесных лесных машин с влажными слабонесущими почвогрунтами на склонах с учетом критического фактора – буксования движителей. Исследование направлено на разработку математических моделей и практических рекомендаций для минимизации деградации почв и обеспечения работоспособности трелевочных волоков в сложных условиях.
Материалы и методы
Для решения поставленных задач использовался комплекс методов математического моделирования и численного анализа. Основой исследования послужили разработанные авторами математические модели, описывающие взаимодействие лесных машин с почвогрунтами на склонах с учетом эффекта буксования.
Основой исследования послужила математическая модель, описывающая образование колеи и угловые отклонения при маневрировании:
hk=_4+3.files/image089.png)
1/n , ( 1а)
откуда
θ=_4+3.files/image090.png)
(1б)
где:
·h_k - глубина колеи, м
·a - радиус контактной площадки, м
·p - вертикальное внешнее давление на почвогрунт, кПа
·τ - предел прочности на сдвиг, кПа
·γ - коэффициент бокового давления
·θ - угол отклонения трактора от заданного направления движения, рад
·n - коэффициент затухания волны напряжений сжатия
Уравнение угла маневрирования:
θ=
Параметры модели
Исходные данные и параметры исследования
Геометрические параметры:
-Вес лесной машины: Q = 8 т
-Длина опорной поверхности: L = 0,42 м
-Ширина опорной поверхности: B = 0,73 м
-Площадь контакта: S = 0,3066 м²
-Радиус контактной площадки: a = 0,19-0,23 м (в зависимости от влажности)
Параметры почвогрунта:
Исследовались два состояния влажности суглинка:
Состояние 1 (W = 32%, W/W_т = 0,78):
Сцепление: C = 10,9 кПа
Угол внутреннего трения: φ = 17,5°
Модуль общей деформации: E = 700 кПа
Коэффициент Пуассона: ν = 0,32
Состояние 2 (W = 41%, W/W_т = 1,00):
Сцепление: C = 6,5 кПа
Угол внутреннего трения: φ = 13,3°
Модуль общей деформации: E = 400 кПа
Коэффициент Пуассона: ν = 0,41
Диапазоны варьируемых параметров:
Угол наклона склона: α = 0-30°
Коэффициент буксования: δ = 0,02-0,32
Допустимая глубина колеи: h_д = 0,2-0,3 м
Коэффициент деформации шины: η = 0,93
Коэффициент трения: K_тр = 0,4-0,6
Методика расчета
Расчеты проводились с использованием разработанного математического аппарата с последовательным определением:
1. Параметров прочности грунта для различных состояний влажности.
2. Критических давлений и сил сцепления при различных уровнях буксования.
3. Допустимых углов маневрирования с учетом ограничений по глубине колеи.
4. Анализ совместного влияния угла наклона склона и коэффициента буксования.
Все расчеты выполнялись с контролем выполнения условий прочности и сцепления, что обеспечивало физическую достоверность полученных результатов.
Результаты исследований
В результате проведенного математического моделирования и численного анализа получены количественные оценки влияния ключевых факторов на процесс взаимодействия лесных машин с почвогрунтами при маневрировании на склонах. Исследование позволило установить функциональные зависимости между параметрами почвогрунта, характеристиками лесных машин и условиями их эксплуатации, что обеспечивает научную основу для оптимизации технологических процессов лесозаготовок в сложных геотехнических условиях.
Проведена оценка диапазона изменения допустимого угла маневрирования θд в зависимости от параметра Кτ = τ/p при фиксированном значении допустимой глубины колеи hд = a = 0,2 м и коэффициенте Пуассона ν = 0,35, характерном для слабонесущих влажных почвогрунтов (рисунок 1).
Рисунок 1. Зависимость предельного угла маневрирования от отношения предела прочности почвогрунта на сдвиг к величине вертикального давления
Figure 1. Dependence of the maximum maneuvering angle on the ratio of the shear strength of the soil to the vertical pressure
Источник: собственная композиция авторов
Source: author’s composition
Установлено, что зависимость θд(Кτ) имеет параболический характер. Увеличение параметра Кτ, соответствующее росту прочности почвогрунта или снижению внешнего давления, позволяет существенно расширить диапазон допустимого маневрирования транспортного средства.
Механизм разрушения почвогрунта
Для условий работы на влажных почвогрунтах при ν = 0,35 коэффициент бокового распора составляет γ = 0,55. Согласно моделям разрушения грунтов с внутренним трением [17-19], тангенциальные напряжения растяжения σθ = γσh достигают 55% от вертикальных сжимающих напряжений σh = p/(h/a)ⁿ.
Критерием разрушения принято условие, при котором максимальное напряжение сдвига σ = 0,5(σh - σθ) превышает предел прочности почвогрунта на сдвиг τ. Глубина h, удовлетворяющая данному условию, принимается в качестве расчетной глубины колеи hк.
Коэффициент затухания напряжений при взаимодействии плоского отпечатка колеса с поверхностью склона составляет n = 0,725. Соответственно, показатель степени в уравнении роста глубины колеи равен 1/n = 1,4. Данное значение отличается от коэффициента, равного 2, используемого в классических моделях образования колеи [22-26].
Указанное расхождение обусловлено учетом внутреннего трения массива почвогрунта и особенностей взаимодействия плоского участка фронта сжатия краевой зоны. Реализуемый механизм характеризуется менее интенсивным затуханием напряжений сжатия при погружении штампа, что приводит к увеличению зоны разрушения, глубины колеи hк и расширению диапазона угла маневрирования θ.
Диапазон изменения угла θд составляет от 0 до 68°, при этом зависимость от параметра Кτ имеет степенной характер с показателем степени более 5.
Для обеспечения работоспособности трелевочного волока при глубине колеи не более hд = 0,2 м допустимый угол маневрирования ограничен величиной 20°. При этом давление p на почвогрунт не должно превышать трехкратного значения предела прочности на сдвиг τ.
Для влажных почвогрунтов (супеси, суглинки) со средними значениями τ = 12-15 кПа допустимый диапазон внешнего давления составляет p = 36-45 кПа. Снижение давления на 30-35% до 27-30 кПа (увеличение Кτ с 0,3 до 0,37) позволяет расширить диапазон маневрирования в 2 раза - с 20° до 40° при сохранении ограничения по глубине колеи.
Исследования [3,10] демонстрируют зависимость параметров прочности от влажности почвогрунта W и его положения на поверхности склона. Наиболее значительное снижение прочностных характеристик наблюдается при превышении влажностью 75% от предела текучести Wт.
В таблице 1 представлены показатели физико-механических свойств суглинка при Wт = 41% для двух состояний влажности.
1. Abelev A., Merrick T., Liang R., Vermillion M., Li R.-R., Buma W., and Swanson C.: Torque-Weighted Index Soil Strength Test (TWISST) for vegetated terrain, EGU General Assembly 2023, Vienna, Austria, 24–28 Apr 2023, EGU23-8418, https://doi.org/10.5194/egusphere-egu23-8418, 2023.
2. Baek K., Lee E., Choi H., Cho M., Choi Y., & Han S. Impact on Soil Physical Properties Related to a High Mechanization Level in the Row Thinning of a Korean Pine Stand. Land. 2022; 11 (3): 329. – DOI: https://doi.org/10.3390/land11030329.
3. Bragar E., Pronozin Y., Zhussupbekov A., Gerber A., Sarsembayeva A., Muzdybayeva T., & Sarabekova U. Z. Evaluation of the Strength Characteristics of Silty-Clayey Soils during Freezing-Thawing Cycles. Applied Sciences. 2022; 12 (2): 802. – DOI: https://doi.org/10.3390/app12020802.
4. Catherine Collet, Chloé Agro, Emila Akroume et al. Mechanical site preparation impacts on soil structural quality in a forest plantation depend on soil moisture and excavator size, 19 June 2024, PREPRINT (Version 1) available at Research Square [https://doi.org/10.21203/rs.3.rs-4480823/v1].
5. Dymov A.A., Startsev V.V., Gorbach N.M. et al. Changes in Soil and Vegetation with Different Number of Passes of Wheeled Forestry Equipment (Middle Taiga, Komi Republic). Eurasian Soil Sc. 2022; 55: 1633–1646. – DOI: https://doi.org/10.1134/S1064229322110023.
6. Erktan A., Or D., & Scheu S. The physical structure of soil: Determinant and consequence of trophic interactions. Soil Biology and Biochemistry. 2020; 148: 107876. – DOI: https://doi.org/10.1016/j.soilbio.2020.107876.
7. Germer K., Shafiullah A. Z., Peters A., Kraft M., Weise M., Rolfes L., & Lorenz M. Field traffic loads on a silty farm site cause shifting and narrowing of soil pore size distribution. Soil and Tillage Research. 2025; 248: 106425. – DOI: https://doi.org/10.1016/j.still.2024.106425.
8. Karami S., Latterini F., Jourgholami M. et al. The medium‐term effects of forest operations on a mixed broadleaf forest: Changes in soil properties and loss of nutrients. Land Degradation & Development. 2023; 34 (10): 2961–2974. – DOI:https://doi.org/10.1002/ldr.4660.
9. Karnaukhov I., Babin V., Ivanov A., Romanenko M., Serebrennikov Y. Optimization of hydraulic drive parameters of caterpillar forest loader. E3S Web of Conferences. 2024; 525: 06013. – DOI:https://doi.org/10.1051/e3sconf/202452506013.
10. Katarov V., Syunev V., & Kolesnikov G. Analytical Model for the Load-Bearing Capacity Analysis of Winter Forest Roads: Experiment and Estimation. Forests. 2022; 13 (10): 1538. – DOI: https://doi.org/10.3390/f13101538.
11. Labelle E. R., Borchert H., Aurenhammer P. K., Breinig L., & Spinelli R. Effect of season and machine type on performance of semi- and fully-mechanized harvesting systems in beech-dominated stands. Croatian Journal of Forest Engineering. 2024; 45 (2): 237–252. – DOI:https://doi.org/10.5552/crojfe.2024.2281.
12. Latterini F., Venanzi R., Papa I., Đuka A., & Picchio R. A meta-analysis to evaluate the reliability of depth-to-water maps in predicting areas particularly sensitive to machinery-induced soil disturbance. Croatian Journal of Forest Engineering. 2024; 45 (2): 433–444. – DOI:https://doi.org/10.5552/crojfe.2024.2559.
13. Mahura B., Bakay B., Bilous O., Karatnyk I., & Kiy V. Determining the optimal angle of traction force application of a «walking sledge» skidding device. Bulletin of Kharkov National Automobile and Highway University. 2023; 101 (2): 121-128.
14. Makunina Y. S., Dolmatov S. N., & Kolesnikov P. G. Operation of wheel skidders in conditions of insufficient ground bearing capacity. In A. A. Radionov & V. R. Gasiyarov (Eds.), Proceedings of the 9th International Conference on Industrial Engineering (ICIE 2023). Springer Cham; 2023. p. 122–130. – DOI: https://doi.org/10.1007/978-3-031-38126-3.
15. Mergl V., Pandur Z., Klepárník J., Kopseak H., Bačić M., & Šušnjar M. Technical solutions of forest machine hybridization. Energies. 2021; 14 (10): 2793. – DOI: https://doi.org/10.3390/en14102793.
16. Muhdi, Lubis L. M., Purba B., Lintang D. P. S., Zaitunah A., Sahar A., & Hanafiah D. S. The effect of skidding by excavator on soil compaction in the industrial plantation forest of PT Toba Pulp Lestari, North Sumatra, Indonesia. IOP Conference Series: Earth and Environmental Science. 2022; 977 (1): 012093. – DOI:https://doi.org/10.1088/1755-1315/977/1/012093.
17. Nieminen M., Pukkala T., Stenberg L., Sarkkola S., Vihonen A., & Valkeapää A. Jatkuvan kasvatuksen ja tasaikäismetsätalouden vaikutus metsäisten valuma-alueiden vesistökuormitukseen Suomessa. Metsätieteen aikakauskirja. 2023; 2023 (4): 22001. – DOI:https://doi.org/10.14214/ma.22001.
18. Nunes L. J. R., Nogueira J., Rodrigues J. B., Azevedo J. C., Oliveira E., de Figueiredo T., & Picos J. Modern Animal Traction to Enhance the Supply Chain of Residual Biomass. AgriEngineering. 2023; 5 (2): 1039-1050. – DOI:https://doi.org/10.3390/agriengineering5020065.
19. Presecan M. F., Forkuo G. O., & Borz S. A. Soil Compaction Induced by Three Timber Extraction Options: A Controlled Experiment on Penetration Resistance on Silty-Loamy Soils. Applied Sciences. 2024; 14 (12): 5117. – DOI: https://doi.org/10.3390/app14125117.
20. Prinz A., Engebretsen M., Gjøsæter T., Møller-Pedersen B., & Xanthopoulou T. D. Models, systems, and descriptions: A cross-disciplinary reflection on models. Frontiers in Computer Science. 2023; 5: 1031807. – DOI:https://doi.org/10.3389/fcomp.2023.1031807.
21. Riggert R., Fleige H., & Horn R. An assessment scheme for soil degradation caused by forestry machinery on skid trails in Germany. Soil Science Society of America Journal. 2019; 83 (S1): S1–S12. – DOI: https://doi.org/10.2136/sssaj2018.07.0255.
22. Петросян С.С., Ильюшенко Д.А., Барышникова Е.В. и др. Оценка экологической совместимости колесных трелевочных тракторов с пачковым захватом с почвенно-грунтовыми условиями. Известия СПбЛТА. – 2022. – № 238. – С. 124-136. – DOI:https://doi.org/10.21266/2079-4304.2022.238.124-136.
23. Подрубалов М.В., Мехедов М.А. Особенности конструкции тракторов для работы на склонах. Наука в Центральной России. – 2023. – Т. 62, № 2. – С. 148-153. – DOI: https://doi.org/10.35887/2305-2538-2023-2-148-153.
24. Расчет коэффициента сцепления колесного движителя лесной машины с почвогрунтом / Е. Г. Хитров, И. С. Должиков, А. С. Дмитриев [и др.]. Известия высших учебных заведений. Лесной журнал. – 2023. – № 5(395). – С. 126-134. – DOI:https://doi.org/10.37482/0536-1036-2023-5-126-134.
25. Шапиро В.Я., Новиков М.С., Григорьев И.В., Перфильев П.Н., Тихонов Е.А., Друзьянова В.П. Оценка работоспособности трасс движения лесных машин на склоне оттаивающего почвогрунта с учетом маневрирования движителя. Хвойные бореальной зоны. – 2025. – Т. 43, № 2. – С. 77-84.
