Теоретические исследования производительности форвардеров при ограничениях воздействия на почвогрунты

УДК

630*372/375

DOI:

https://doi.org/10.37482/0536-1036-2021-3-101-116

Аннотация

Колесные лесные машины в настоящее время доминируют в лесозаготовительном производстве в России и в мире. Ежегодно в нашей стране увеличивается доля машинной заготовки древесины по скандинавской технологии, предусматривающей выполнение валки деревьев, их очистки от сучьев и раскряжевки прямо на пасеке. Так работают не только классические двухмашинные комплексы, состоящие из харвестера и форвардера, но и трехмашинные (в ряде регионов Сибири), включающие валочно-пакетирующий агрегат, работающий на пасеке процессор и форвардер для трелевки получаемых сотиментов. Проблема повышения эффективности работы форвардеров актуальна для лесопромышленного комплекса. Ее решение возможно на основе оценки проектных решений с использованием современных средств моделирования и оптимизации процессов на стадии разработки. Такой подход требует глубоких теоретических и экспериментальных исследований, представляет большой научный и практический интерес. При определении максимального объема трелюемой древесины учитывают следующие ограничения машины: по грузоподъемности; по касательной силе тяги; по сцеплению движителя с грунтом (касательная сила тяги не должна превышать силу сцепления движителя с поверхностью движения - почвогрунтом лесосеки). Кроме того, известны рекомендации по ограничению веса трелевочной машины с грузом исходя из допустимой глубины колеи после первого прохода машины, считается, что этот показатель не должен превышать 20 см. Данное утверждение подкрепляется результатами исследований развития колеи при циклическом воздействии со стороны колесного движителя (т. е. при многократном прохождении машиной одного и того же участка волока). В этой связи возникает вопрос о производительности форвардеров при выполнении операции трелевки с учетом ограничения по глубине колеи.

Сведения об авторах

О.Н. Бурмистрова¹, д-р техн. наук, проф.; ORCID: https://orcid.org/0000-0003-2616-7557
А.А. Просужих¹, ст. преп.; ResearcherID: AAJ-2312-2020, ORCID: https://orcid.org/0000-0003-1968-3713
Е.Г. Хитров², канд. техн. наук; ResearcherID: R-8199-2016, ORCID: https://orcid.org/0000-0003-4569-9508
О.А. Куницкая³, д-р техн. наук, проф.; ResearcherID: AAC-9568-2020, ORCID: https://orcid.org/0000-0001-8542-9380
Е.Н. Лунева⁴, канд. с.-х. наук, доц.; ORCID: https://orcid.org/0000-0003-4363-5746
¹Ухтинский государственный технический университет, ул. Первомайская, д. 13, г. Ухта, Республика Коми, Россия, 169300; e-mail: olga.burm@mail.ru
²Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого, ул. Политехническая, д. 29, Санкт-Петербург, Россия, 195251; e-mail: yegorkhitrov@gmail.com
³Арктический государственный агротехнологический университет, 3-й км, д. 3, ш. Сергеляхское, г. Якутск, Республика Якутия, Россия, 677007; e-mail: ola.ola07@mail.ru
⁴Донской государственный аграрный университет, ул. Кривошлыкова, д. 24, пос. Персиановский, Октябрьский район, Ростовская область, Россия, 346493; e-mail: hizz90@yandex.ru

Ключевые слова

лесозаготовка, производительность форвардеров, трелевочная система, почвогрунты

Для цитирования

Бурмистрова О.Н., Просужих А.А., Хитров Е.Г., Куницкая О.А., Лунева Е.Н. Теоретические исследования производительности форвардеров при ограничениях воздействия на почвогрунты // Изв. вузов. Лесн. журн. 2021. № 3. С. 101–116. DOI: 10.37482/0536-1036-2021-3-101-116

Литература

1. Абузов А.В., Григорьев И.В. Конструктивные особенности канатных лесотранспортных систем на мягких пневматических опорах // Лесотехн. журн. 2020. Т. 10, № 1(37). С. 86–95. Abuzov A.V., Grigoryev I.V. Design Features of Cable Forestry Systems on Soft Pneumatic Supports. Lesotekhnicheskiy zhurnal [Forestry Engineering Journal], 2020, vol. 10, no. 1(37), pp. 86–95. DOI: https://doi.org/10.34220/issn.2222-7962/2020.1/9
2. Божбов В.Е., Григорьев И.В., Рудов С.Е., Тетеревлева Е.В., Чемшикова Ю.М. Анализ подходов к описанию процессов взаимодействия движителей лесных машин с почвогрунтами лесосек // Resources and Technology. 2019. Т. 16, № 2. С. 13–35. Bozhbov V.E., Grigorev I.V., Rudov S.E., Teterevleva E.V., Chemshikova Yu.M. Analysis of Approaches to the Description of Processes of Interaction of the Propulsion of Forest Machines with the Soil on the Cutting Area. Resources and Technology, 2019, vol. 16, no. 2, pp. 13–35. DOI: https://doi.org/10.15393/j2.art.2019.4482
3. Воронов Р.В., Марков О.Б., Григорьев И.В., Давтян А.Б. Математическая модель модульного принципа подбора системы машин для создания и эксплуатации лесных плантаций // Изв. вузов. Лесн. журн. 2019. № 5. С. 125–134. Voronov R.V., Markov O.B., Grigorev I.V., Davtyan A.B. Mathematical Model of the Modular Approach for Selection of a System of Machines for Creation and Operation of Forest Plantations. Lesnoy Zhurnal [Russian Forestry Journal], 2019, no. 5, pp. 125–134. DOI: https://doi.org/10.17238/issn0536-1036.2019.5.125
4. Григорьев И.В. Снижение отрицательного воздействия на почву колесных трелевочных тракторов обоснованием режимов их движения и технологического оборудования. СП б.: СП бГЛТА , 2006. 236 с. Grigorev I.V. Reduction of the Negative Effect from Wheeled Skidders on Soils by Substantiation of Modes of Their Movement and Technological Equipment. Saint Petersburg, SPbSFTU Publ., 2006. 236 p.
5. Григорьев И.В. Параметры и показатели работы перспективного форвардера для малообъемных лесозаготовок // Актуальные направления научных исследований XXI века: теория и практика. 2018. Т. 6, № 4(40). С. 21–25. Grigorev I.V. The Parameters and Indicators of Promising Forwarder for Low-Volume Logging. Aktual’nyye napravleniya nauchnykh issledovaniy XXI veka: teoriya i praktika [Current Directions of Scientific Research of the XXI Century: Theory and Practice], 2018, vol. 6, no. 4(40), pp. 21–25.
6. Григорьев И.В., Рудов С.Е. Особенности эксплуатации колесных лесных машин в сложных почвенно-грунтовых и рельефных условиях // Forest Engineering / под ред. И.И. Слепцова. Якутск: Изд. дом СВФУ, 2018. С. 67–71. Grigorev I.V., Rudov S.E. Operational Features of Wheeled Forest Machines in Complex Soil and Terrain Conditions. Forest Engineering. Ed. by I.I. Sleptsov. Yakutsk, NEFU Publ., 2018, pp. 67–71.
7. Григорьев И.В., Чураков А.А. Совершенствование конструкции активного полуприцепа форвардера на базе сельскохозяйственного колесного трактора //Транспортные и транспортно-технологические системы / отв. ред. Н.С. Захаров. Тюмень: ТИУ ,
2018. С. 84–88. Grigorev I.V., Churakov A.A. Improvement of the Construction of the Active Sewer-
Trailer of the Forwarder on the Basis of Agricultural Wheel Tractor. Transport and Transport -Technological Systems. Ed. by N.S. Zakharov. Tyumen, IUT Publ., 2018, pp. 84–88.
8. Григорьев И.В., Григорьева О.И., Чураков А.А. Эффективные технологии и системы машин для малообъемных заготовок древесины // Энергия: экономика, техника, экология. 2018. № 2. С. 61–66.
Grigorev I.V., Grigoreva O.I., Churakov A.A. Effective Technologies and Systems of Machines for Low-Volume Wood Logging. Energiya: ekonomika, tekhnika, ekologiya, 2018, no. 2, pp. 61–66.
9. Григорьев И.В., Жукова А.И., Григорьева О.И., Иванов А.В. Средощадящие технологии разработки лесосек в условиях Северо-Западного региона Российской Федерации. СП б.: СП бГЛТА , 2008. 176 с. Grigorev I.V., Zhukova A.I., Grigoreva O.I., Ivanov A.V. Low Impact Technologies for Logging in the Northwestern Federal District of the Russian Federation. Saint Petersburg, SPbGLTA Publ., 2008. 176 p.
10. Дмитриева М.Н., Григорьев И.В., Рудов С.Е. Анализ исследований взаимодействия колесного движителя лесных машин со слабонесущим почвогрунтом // Resources and Technology. 2019. Т. 16, № 1. С. 10–39. Dmitrieva M.N., Grigorev I.V., Rudov S.E. Interaction of Wheeled Forestry Machines with Non-Cohesive Soil. Resources and Technology, 2019, vol. 16, no. 1, pp. 10–39. DOI: https://doi.org/10.15393/j2.art.2019.4402
11. Добрецов Р.Ю., Григорьев И.В., Рудов С.Е., Тетеревлева Е.В., Чемшикова Ю.М. Увеличение подвижности гусеничных и колесных машин //Ремонт. Восстановление. Модернизация. 2019. № 11. С. 4–10. Dobretsov R.Yu., Grigoryev I.V., Rudov S.E., Teterevleva E.V., Chemshikova Yu.M. Increase in Mobility of Track and Wheel Machines. Remont. Vosstanovlenie. Modernizatsiya [Repair, Reconditioning, Modernization], 2019, no. 11, pp. 4–10. DOI: https://doi.org/10.31044/1684-2561-2019-0-11-4-10
12. Морозов Е.М., Зернин М.В. Контактные задачи механики разрушения. Изд. 2-е. М.: ЛИ БРОКО М, 2010. 544 с. Morozov E.M., Zernin M.V. Contact Problems of Fracture Mechanics. Moscow, LIBROKOM Publ., 2010. 544 p.
13. Цытович Н.А. Механика грунтов: краткий курс. М.: Высш. школа, 1983. 288 с. Tsytovich N.A. Mechanics of Soils. Moscow, Vysshaya shkola Publ., 1983. 288 p.
14. Шапиро В.Я., Григорьев И.В., Рудов С.Е. Особенности взаимодействия лесных машин с мерзлотными почвогрунтами // Повышение эффективности лесного комплекса: материалы IV Всерос. науч.-практ. конф. с междунар. участием Петрозаводск: Изд-во ПетрГУ, 2018. С. 187–188.
Shapiro V.Ya., Grigorev I.V., Rudov S.E. Features of Interaction of Forest Machines with Permafrost Soils. Improving the Efficiency of the Forest Complex. Proceedings of the IV All-Russian Scientific and Practical Conference with International Participation. Petrozavodsk, PetrSU Publ., 2018, pp. 187–188.
15. Шапиро В.Я., Григорьев И.В., Жукова А.И., Иванов В.А. Исследование механических процессов циклического уплотнения почвогрунта при динамических нагрузках // Вестн. КрасГАУ . 2008. № 1. С. 163–175. Shapiro V.Ya., Grigorev I.V., Zhukova A.I., Ivanov V.A. Study of Mechanical Processes of Cyclic Soil Compaction under Dynamic Loads. Vestnik KrasGAU [The Bulletin of KrasGAU], 2008, no. 1, pp. 163–175.
16. Antoniade C., Şlincu C., Stan C., Ciobanu V., Ştefan V. Maximum Loading Heights for Heavy Vehicles Used in Timber Transportation. Bulletin of the Transilvania University of Braşov. Series II: Forestry. Wood Industry. Agricultural Food Engineering, 2012, vol. 5(54), no. 1, pp. 7–12.
17. Cerato A.B., Lutenegger A.J. Specimen Size and Scale Effects of Direct Shear Box Tests of Sands. Geotechnical Testing Journal, 2006, vol. 29, iss. 6, pp. 507–516. DOI: https://doi.org/10.1520/GTJ100312
18. Grigorev M., Grigoreva A., Grigorev I., Kunickaya O., Stepanova D., Savvinova M., Sidorov M., Tomashevskaya E., Burtseva I., Zakharova O. Experimental Findings in Forest Soil Mechanics. Eurasian Journal of Biosciences, 2018, vol. 12, iss. 2, pp. 277–287.
19. Han S.-K., Han H.-S., Page-Dumroese D.S., Johnson L.R. Soil Compaction Associated with Cut-to-Length and Whole-Tree Harvesting of a Coniferous Forest. Canadian Journal of Forest Research, 2009, vol. 39(5), pp. 976–989. DOI: https://doi.org/10.1139/X09-027
20. Huber M.T. Zur Theorie der Berührung fester elastischer Körper. Annalen der Physik, 1904, vol. 319, iss. 6, pp. 153–163. DOI: https://doi.org/10.1002/andp.19043190611
21. Ivanov V.A., Grigorev I.V., Gasparyan G.D., Manukovsky A.Y., Zhuk A.Yu., Kunitskaya O.A., Grigoreva O.I. Environment-Friendly Logging in the Context of Water Logged Soil and Knob-and-Ridge Terrain. Journal of Mechanical Engineering Research and Developments, 2018, vol. 41, no. 2, pp. 22–27. DOI: https://doi.org/10.26480/jmerd.02.2018.22.27
22. Jarkko L. Design Parameter Analysis of the Bogie Track Surface Pressure in Peatland Forest Operations. Master of Science Thesis. Tampere, Tampere University of Technology, 2018. 59 p.
23. Khitrov E.G., Andronov A.V. Bearing Floatation of Forest Machines (Theoretical Calculation). IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, 2019, vol. 695, art. 012020. DOI: https://doi.org/10.1088/1757-899X/695/1/012020
24. Kozlov V.G., Skrypnikov A.V., Sushkov S.I., Kruchinin I.N., Grigorev I.V., Nikiforov A.A., Pilnik Y.N., Teppoev A.V., Lavrov M., Timokhova O.M. Enhancing Quality of Road Pavements through Adhesion Improvement. Journal of the Balkan Tribological Association, 2019, vol. 25, no. 3, pp. 678–694.
25. Lepilin D., Laurén A., Uusitalo J., Tuittila E-S. Soil Deformation and Its Recovery in Logging Trails of Drained Boreal Peatlands. Canadian Journal of Forest Research, 2019, vol. 49, no. 7, pp. 743–751. DOI: https://doi.org/10.1139/cjfr-2018-0385
26. Nawaz M.F., Bourrié G., Trolard F. Soil Compaction Impact and Modelling. A Review. Agronomy for Sustainable Development, 2012, vol. 33, iss. 2, pp. 291–309. DOI: https://doi.org/10.1007/s13593-011-0071-8
27. Rudov S.E., Voronova A.M., Chemshikova J.M., Teterevleva E.V., Kruchinin I.N., Dondokov Yu.Z., Khaldeeva M.N., Burtseva I.A., Danilov V.V., Grigorev I.V. Theoretical Approaches to Logging Trail Network Planning: Increasing Efficiency of Forest Machines and Reducing Their Negative Impact on Soil and Terrain. Asian Journal of Water, Environment and Pollution, 2019, vol. 16, no. 4, pp. 61–75. https://doi.org/10.3233/AJW190049
28. Stankić I., Poršinsky T., Tomašić Ž., Tonković I., Frntić M. Productivity Models for Operational Planning of Timber Forwarding in Croatia. Croatian Journal of Forest Engineering, 2012, vol. 33, no. 1, pp. 61–78.

Ссылка на английскую версию:

Theoretical Studies of Forwarder Productivity with Limited Impact on Soils

THEORETICAL STUDIES OF FORWARDER PRODUCTIVITY WITH LIMITED IMPACT ON SOILS

Olga N. Burmistrova¹, Doctor of Engineering, Prof.; ORCID: https://orcid.org/0000-0003-2616-7557
Alexey A. Prosuzhih¹, Senior Lecturer; ResearcherID: AAJ-2312-2020, ORCID: https://orcid.org/0000-0003-1968-3713
Egor G. Khitrov², Candidate of Engineering; ResearcherID: R-8199-2016, ORCID: https://orcid.org/0000-0003-4569-9508
Olga A. Kunitskaya³, Doctor of Engineering, Prof.; ResearcherID: AAC-9568-2020, ORCID: https://orcid.org/0000-0001-8542-9380
Elena N. Luneva⁴, Candidate of Agriculture, Assoc. Prof.; ORCID: https://orcid.org/0000-0003-4363-5746
¹Ukhta State Technical University, ul. Pervomayskaya, 13, Ukhta, Komi Republic, 169300, Russian Federation; e-mail: olga.burm@mail.ru
²Peter the Great St. Petersburg Polytechnic University, ul. Politechnicheskaya, 29, Saint Petersburg, 195251, Russian Federation; e-mail: yegorkhitrov@gmail.com
³Arctic State Agrotechnological University, sh. Sergelyakhskoye, 3-y km, 3, Yakutsk, Republic of Sakha (Yakutia), 677007, Russian Federation; e-mail: ola.ola07@mail.ru
⁴Don State Agrarian University, ul. Krivoshlykova, 24, pos. Persianovskiy, Oktyabr’skiy District, Rostov Region, 346493, Russian Federation; e-mail: hizz90@yandex.ru

Abstract. Wheeled forest machines currently dominate the logging industry in Russia and in the world. Every year in Russia, the share of machine-made wood harvesting using Scandinavian technology increases, which involves felling trees, delimbing, and bucking them at a swath. Moreover, this technology is used not only for conventional two-machine systems with harvester and forwarder. In some regions of Siberia three-machine systems are gaining popularity. They consist of a feller-buncher, a swath processor, and a forwarder for skidding obtained logs. The issue of increasing the efficiency of forwarders is relevant for the timber industry. Its solving is possible on the basis of a comprehensive assessment of design solutions with the use of modern modeling and process optimization tools at the stage of development design. This approach requires deep theoretical and experimental research and is of great scientific and practical interest. When determining the maximum volume of skidded wood, the following machine limitations are considered: by bearing capacity; by tangential traction force; by the traction of the mover with the soil (tangential traction force should not exceed the traction force of the mover with the driving surface – the soil of the logging site). Besides this, there are recommendations to limit the weight of the skidder with the load, based on the permissible track depth after the first pass of the machine; it is believed that this figure should not exceed 20 cm. This statement is supported by the results of studies of the track development under the cyclic influence of the wheel mover (that is when the forwarder repeatedly passes the same section of the portage). This raises the question of forwarder productivity in the skidding operation with the regard to the track depth limitation.
For citation: Burmistrova O.N., Prosuzhih A.A., Khitrov E.G., Kunitskaya O.A., Luneva E.N. Theoretical Studies of Forwarder Productivity with Limited Impact on Soils. Lesnoy Zhurnal [Russian Forestry Journal], 2021, no. 3, pp. 101–116. DOI: 10.37482/0536-1036-2021-3-101-
116

Keywords: logging, forwarder productivity, skidding system, soils