Россия
Ухта, Россия
Россия
Россия
Исследование носит теоретический характер и основано на анализе численного решения уравнения ко-лееобразования на лесном почвогрунте с учетом потери несущей способности. Анализ результатов вычисли-тельного эксперимента, выполненного при варьировании механических свойств почвогрунта, угла склона и веса колесного движителя, позволил получить комплексную оценку проходимости колесного движителя лес-ной машины, работающей на местности с уклоном, на пересеченной местности. Впервые получены формулы, основанные на результатах обработки расчетных данных, предназначенные для практического обоснования допустимых параметров колесного движителя лесной машины, работающей на склоне. Полученные расчетные данные доказывают важность учета угла склона, на котором работают колесные лесные машины, с точки зре-ния практического обоснования допустимых нагрузочных параметров колесного движителя. Результаты моде-лирования показали, что при незначительном угле склона 5o для обеспечения опорной проходимости колесно-го движителя вес, допустимый на горизонтальной опорной поверхности, следует снизить на 20-25%, при угле 10o требуемое снижение веса движителя составляет 40-50%. На сравнительно крутых склонах от 15о и выше требуется снижение на 65% и более от значения, допустимого для работы на горизонтальной опорной поверх-ности. Отмеченное позволяет рекомендовать оснащать колесные лесные машины самоходными лебедками уже при углах склона 10 – 15о для обеспечения опорной проходимости движителей. Оценка требуемой мощности возможна на базе результатов расчета коэффициента сопротивления движению. Установлено, что при сравни-тельно небольших углах склона, до 5о, оценка глубины колеи при весе, допустимом по критерию опорной про-ходимости, выше величины 0,20 м, рекомендуемой с точки зрения экологичности движителя. При весе движи-теля, допустимом по критерию проходимости на более крутых склонах, расчетная глубина колеи существенно меньше 0,20 м, однако действительная деформация и повреждаемость почвогрунта будет выше, что связано с воздействием грунтозацепов движителя. Тем не менее, при обеспечении проходимости машин за счет исполь-зования самоходных лебедок, возможно прогнозировать «резерв» увеличения допустимого веса движителя. С учетом отмеченных обстоятельств, в дальнейшем целесообразно провести отдельные исследования, направ-ленные на изучение экологичности колесных движителей лесных машин, работающих на склонах.
тягово-сцепные свойства, колееобразование, несущая способность, угол результирующей нагрузки, лесные почвогрунты
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. Хитров Е.Г. Анализ составляющих глубины колеи, образующейся под воздействием движителя лесной машины на почвогрунт // Resources and Technology. 2019; 16 (4): 76-93.
5. Каляшов В.А., До Туан А., Хитров Е.Г., Григорьева О.И., Гурьев А.Ю., Новгородов Д.В. Современные системы машин и технологии заготовки древесины и лесовосстановления в условиях горных лесосек // Resources and Technology. 2022; 19 (2):1-47.
6. Каляшов В.А., Шапиро В.Я., Григорьев И.В., Куницкая О.А., Должиков И.С., Друзьянова В.П. Формирование колеи движителем лесной машины на склоне оттаивающего почвогрунта криолитозоны с учетом эффекта солифлюкции // Известия высших учебных заведений. Лесной журнал. 2024; 3 (399):140-152.
7. Хитров Е.Г., Бартенев И.М. Влияние угла поперечного наклона поверхности качения на тягово-сцепные свойства колесного движителя // Лесотехнический журнал. 2016; 6 (4 (24)): 225-232.
8. До Т.А., Злобина Н.И., Каляшов В.А., Гурьев А.Ю., Григорьева О.И., Хитров Е.Г. Теоретические исследования влияния угла склона на несущую способность почвогрунта при работе лесных машин // Деревообрабатывающая промышленность. 2022; 2:18-27.
9. До Т.А., Григорьев Г.В., Каляшов В.А., Новгородов Д.В., Григорьева О.И., Хитров Е.Г. Оценка тягово-сцепных свойств движителя лесной гусеничной машины, работающей на склоне // Системы. Методы. Технологии. 202; 2 (54): 78-84.
10. До Т.А., Григорьев Г.В., Каляшов В.А., Гурьев А.Ю., Григорьева О.И., Хитров Е.Г. Теоретические исследования работы лесных машин с гусеничным движителем на склонах // Resources and Technology. 2022; 19. (3):1-29.
11. До Т.А., Григорьев Г.В., Каляшов В.А., Новгородов Д.В., Григорьева О.И., Хитров Е.Г. Методика и результаты экспериментальных исследований воздействия лесных машин с гусеничным движителем на почвогрунты на склонах // Resources and Technology. 2022; 19 (4):64-84.
12. Каляшов В.А., Григорьев И.В., Григорьева О.И. Сравнительный анализ видов трелевки на горных склонах // Вестник АГАТУ. 2022; 2 (6):41-59.
13. Каляшов В.А., Григорьева О.И., Григорьев И.В. Перспективные варианты восстановления лесов на склонах // Вестник АГАТУ. 2022; 1 (5): 86-96.
14. Каляшов В.А., До Т.А., Григорьева О.И., Гурьев А.Ю., Новогородов Д.В. Современные технические решения для обеспечения безопасной работы лесных машин на горных склонах // Безопасность и охрана труда в лесозаготовительном и деревообрабатывающем производствах. 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. Хитров Е.Г., Котенев Е.В., Андронов А.В., Ильюшенко Д.А., Пушков Ю.Л. О сопоставлении среднего и номинального давления движителя лесной машины на почвогрунт // Известия Санкт-Петербургской лесотехнической академии. 2019; 229:185-195.
