Теоретическое исследование процесса разрушения массива грунта сферическими ножами при использовании комбинированных конструкций грунтометов для тушения лесных пожаров

УДК

630*432.31

DOI:

10.17238/issn0536-1036.2018.1.61

Аннотация

Борьба с лесными пожарами – актуальная проблема для лесного хозяйства и арендаторов лесных участков. Большинство возникающих лесных пожаров являются низовыми, которые можно ликвидировать с помощью засыпки кромки пожара грунтом. Лесные почвогрунты отличаются от почв сельхозугодий и грунтов, с которыми работает строительная отрасль, имеют ярко выраженную слоистую структуру из нескольких органических и одного или нескольких минеральных слоев с характерными физико-механическими свойствами. Эту особенность почвогрунтов необходимо учитывать при проектировании приводов и рабочих органов технологического оборудования грунтометов, которые применяют при тушении пожаров в лесах. При использовании комбинированных конструкций грунтометов верхний слой подстилки снимают плоскими ножами, расположенными на роторе, после чего основную массу грунта, необходимую для эффективного метания в направлении кромки лесного пожара, разрушают и разрыхляют с помощью сферических ножей. Одна из основных проблем, возникающих при взаимодействии сферического ножа с массивом грунта, – определение скорости сближения рабочего органа с поверхностью почвы, поскольку при движении грунтомета частицы грунта, обладающего определенными физико-механическими свойствами, входят в контакт с рабочими органами и возникают силы сопротивления движению машины, что снижает ее производительность. При фрезеровании вязких и близких к пределу текучести слоев грунта для эффективной работы рабочих органов грунтомета используют режим пониженных скоростей. Нами разработана математическая модель, позволяющая на стадии теоретических исследований и проработки проектно-конструкторских решений оценивать результаты эффективной работы сферических ножей при фрезеровании слоя грунта комбинированными грунтометами для тушения лесных пожаров с учетом различных факторов и условий реализации техно-логических процессов.

Сведения об авторах

В.Я. Шапиро¹, д-р техн. наук, проф.

О.И. Григорьева¹, канд. с.-х. наук, доц.

И.В. Григорьев², д-р техн. наук, проф.

М.Ф. Григорьев², ст. преп.

¹Санкт-Петербургский государственный лесотехнический университет им. С.М. Кирова, Институтский пер, д. 5, Санкт-Петербург, Россия, 194021; е-mail: tlzp@inbox.ru

²Якутская государственная сельскохозяйственная академия, ш. Сергеляхское, 3-й км, д. 3, г. Якутск, Республика Саха (Якутия), 677007; е-mail: silver73@inbox.ru

Ключевые слова

лесные пожары, способы тушения лесных пожаров, грунтомет, механика контактного разрушения

Для цитирования

Шапиро В.Я., Григорьева О.И., Григорьев И.В., Григорьев М.Ф. Теоретическое исследование процесса разрушения массива грунта сферическими но-жами при использовании комбинированных конструкций грунтометов для тушения лесных пожаров // Лесн. журн. 2018. № 1. С. 61–69. (Изв. высш. учеб. заведений). DOI: 10.17238/issn0536-1036.2018.1.61

Литература

1. Газизов А.М., Шапиро В.Я., Григорьев И.В., Гумерова О.М. Моделирование процесса разрушения коры при окорке резанием // Изв. СПбЛТА. 2010. № 193. С. 211–221.

2. Гнусов М.А. Обоснование параметров комбинированных рабочих органов грунтомета для прокладки минерализованных полос в лесу: автореф. дис. ... канд. техн. наук. Воронеж, 2014. 16 с.

3. Морозов Е.М., Зернин М.В. Контактные задачи механики разрушения. Изд. 2-е. М.: ЛИБРОКОМ, 2010. 544 с.

4. Мосинец В.Н., Абрамов А.В. Разрушение трещиноватых и нарушенных горных пород. М.: Недра, 1982. 248 с.

5. Орловский С.Н. Определение энергетических и динамических параметров тракторов, режимов резания активных рабочих органов машинно-тракторных агрегатов. Красноярск: КрасГАУ, 2011. 376 с.

6. Пат. 2496540 Российская Федерация. Пожарный грунтомет-полосопрокладыватель / Бартенев И.М., Драпалюк М.В., Гнусов М.А. Опубл. 27.10.2013, Бюл. № 30.

7. Чукичев А.Н. Технологические и теоретические основы фрезо-метательных машин для тушения лесных пожаров грунтом: автореф. дис. ... д-ра техн. наук. СПб., 1995. 40 с.

8. Шапиро В.Я., Григорьев И.В., Жукова А.И. Влияние сдвиговых деформаций на процесс циклического уплотнения почвы // Естеств. и техн. науки. 2006. № 1. С. 174–180.

9. Шапиро В.Я., Григорьев И.В., Жукова А.И. Особенности динамического уплотнения почвы при ее циклическом нагружении // Актуальные проблемы современной науки. 2006. № 3. С. 286–293.

10. Шапиро В.Я., Григорьев И.В., Жукова А.И. Оценка процессов деформирования почвы при циклическом уплотнении // Лесн. журн. 2008. № 4. С. 44–51. (Изв. высш. учеб. заведений).

11. Шапиро В.Я., Григорьев И.В., Лепилин Д.В., Жукова А.И. Моделирование уплотнения почвогрунта в боковых полосах трелевочного волока с учетом изменчивости трассы движения // Уч. зап. ПетрГУ. 2010. № 6(111). С. 61–64.

12. Melekhov I.S. Burned Forest Area Type Classification // Fire in Ecosystems of Boreal Eurasia / Ed. by J.G. Goldammer, V. Furyaev. Dordrecht, Netherlands: Springer Publ., 1996. Pp. 326‒330.

13. Valendik E.N. Temporal and Spatial Distribution of Forest Fires in Siberia // Fire in Ecosystems of Boreal Eurasia / Ed. by J.G. Goldammer, V. Furyaev. Dordrecht, Netherlands: Springer Publ., 1996. Pp. 129–138.

14. Warcup J.H. Effect of Fire on the Soil Microflora and Other Non-Vascular Plants // Fire and the Australian Biota / Ed. by A.M. Gill, R.H. Groves, I.R. Noble. Canberra: Aust. Acad. Sci. Publ., 1981. Pp. 203–214.

Поступила 27.09.17

Ссылка на английскую версию:

Theoretical Study of the Soil Mass Destruction Process by Spherical Knives when Using Combined Forest Fire-Fighting Soil-Thrower Constructions

UDC 630*432.31

DOI: 10.17238/issn0536-1036.2018.1.61

Theoretical Study of the Soil Mass Destruction Process by Spherical Knives when Using Combined Forest Fire-Fighting Soil-Thrower Constructions

V.Ya. Shapiro¹, Doctor of Engineering Sciences, Professor

O.I. Grigor’eva¹, Candidate of Agricultural Sciences, Associate Professor

I.V. Grigor’ev², Doctor of Engineering Sciences, Professor

M.F. Grigor’ev², Senior Lecturer

¹Saint Petersburg State Forest Technical University under name of S.M. Kirov, Institutskiy per., 5, Saint Petersburg, 194021, Russian Federation; e-mail: tlzp@inbox.ru

²Yakut State Agricultural Academy, Sergelyakhskoe sh., Tretiy kilometr, 3, Yakutsk, 677007, Republic of Sakha, Russian Federation; e-mail: silver73@inbox.ru

Forest fire fighter is an urgent problem of forestry and forest land tenants. Most of the emerging forest fires are low, which can be brought under control by filling the fire edge with soil. Forest soils differ from soils of agricultural lands and construction industry. They have a pronounced layered structure of several organic and one or several mineral layers with characteristic physical and mechanical properties. This feature of soil should be taken into account in the design of drives and working elements of technological equipment of soil-throwers that are used to extinguish forest fires. When using combined soil-thrower constructions, the top litter layer is removed with flat knives located on the rotor. Then the main mass of soil necessary for the effective throwing in the direction of the forest fire edge is destroyed and loosened by spherical knives. One of the main problems of a spherical knife and soil mass interaction is the determination of the approach velocity of the working element to the ground surface. When soil-thrower is moving, soil particles possessing certain physical and mechanical properties contact with working elements, and resistance forces to the movement of the machine arise, which reduces its productivity. The low-speed mode is used for the effective work of the soil-thrower working elements when milling the viscous and close to the yielding point of soil layers. The authors have developed a mathematical model that allows at the stage of theoretical studies and engineering solutions evaluating the results of effective operation of spherical knives when milling a soil layer with combined soil-throwers to extinguish forest fires, taking into account various factors and conditions for the implementation of technological processes.

Keywords: forest fire, forest fire-fighting method, soil-thrower, contact fracture mechanics.

REFERENCES

1. Gazizov A.M., Shapiro V.Ya., Grigor'ev I.V., Gumerova O.M. Modelirovanie protsessa razrusheniya kory pri okorke rezaniem [Modelling Process of Destruction of a Bark at Cutting]. Izvestia Sankt-Peterburgskoj lesotehniceskoj akademii (Izvestia SPbLTA) [News of the Saint Petersburg State Forest Technical Academy], 2010, no. 193, pp. 211–221.

2. Gnusov M.A. Obosnovanie parametrov kombinirovannykh rabochikh organov gruntometa dlya prokladki mineralizovannykh polos v lesu: avtoref. dis. ... kand. tekhn. nauk [Substantiation of Parameters of the Combined Working Elements of a Soil-Thrower for the Forest Fire Barriers: Cand. Eng. Sci. Diss. Abs.]. Voronezh, 2014. 16 p.

3. Morozov E.M., Zernin M.V. Kontaktnye zadachi mekhaniki razrusheniya [Contact Problems of Fracture Mechanics]. Moscow, LIBROKOM Publ., 2010. 544 p. (In Russ.)

4. Mosinets V.N., Abramov A.V. Razrushenie treshchinovatykh i narushennykh gornykh porod [Destruction of Fractured and Disturbed Rocks]. Moscow, Nedra Publ., 1982. 248 p. (In Russ.)

5. Orlovskiy S.N. Opredelenie energeticheskikh i dinamicheskikh parametrov traktorov, rezhimov rezaniya aktivnykh rabochikh organov mashinno-traktornykh agregatov [Determination of Energy and Dynamic Parameters of Tractors, Cutting Modes of Active Working Elements of Machine and Tractor Units]. Krasnoyarsk, Krasnoyarsk SAU Publ., 2011. 376 p. (In Russ.)

6. Bartenev I.M., Drapalyuk M.V., Gnusov M.A. Pozharnyy gruntomet-polosoprokladyvatel' [Fire-Fighting Soil-Thrower-Fire-Break Maker]. Patent RF, no. 2496540, 2013.

7. Chukichev A.N. Tekhnologicheskie i teoreticheskie osnovy frezo-metatel'nykh mashin dlya tusheniya lesnykh pozharov gruntom: avtoref. dis. ... d-ra tekhn. nauk [Technological and Theoretical Foundations of Throwers for Forest Fires Extinction with Soil: Dr. Eng. Sci. Diss. Abs.]. Saint Petersburg, 1995. 40 p.

8. Shapiro V.Ya., Grigor'ev I.V., Zhukova A.I. Vliyanie sdvigovykh deformatsiy na protsess tsiklicheskogo uplotneniya pochvy [Influence of Shear Deformations on the Process of Cyclic Soil Compaction]. Estestvennye i tekhnicheskie nauki [Natural and Technical Sciences], 2006, no. 1, pp. 174–180.

9. Shapiro V.Ya., Grigor'ev I.V., Zhukova A.I. Osobennosti dinamicheskogo uplotneniya pochvy pri ee tsiklicheskom nagruzhenii [Features of the Soil Dynamic Compaction during Its Cyclic Loading]. Aktual'nye problemy sovremennoy nauki, 2006, no. 3, pp. 301–309.

10. Shapiro V.Ya., Grigor'ev I.V., Zhukova A.I. Otsenka protsessov deformirovaniya pochvy pri tsiklicheskom uplotnenii [Assessment of Soil Deformation Processes under Cyclic Compaction]. Lesnoy zhurnal [Forestry journal], 2008, no. 4, pp. 44–51.

11. Shapiro V.Ya., Grigor'ev I.V., LepilinD.V., Zhukova A.I. Modelirovanie uplotneniya pochvogrunta v bokovykh polosakh trelevochnogo voloka s uchetom izmenchivosti trassy dvizheniya [Modeling of Soil Consolidation Consistent with Trail Tractors Route Change]. Uchenye zapiski Petrozavodskogo gosudarstvennogo universiteta. Seriya: Estestvennye i tekhnicheskie nauki [Proceedings of Petrozavodsk State University. Ser.: Natural and Engineering Sciences], 2010, no. 6(111), pp. 61–64.

12. Melekhov I.S. Burned Forest Area Type Classification. Fire in Ecosystems of Boreal Eurasia. Ed. by J.G. Goldammer, V. Furyaev. Dordrecht, Netherlands, Springer Publ., 1996, pp. 326‒330.

13. Valendik E.N. Temporal and Spatial Distribution of Forest Fires in Siberia. Fire in Ecosystems of Boreal Eurasia. Ed. by J.G. Goldammer, V. Furyaev. Dordrecht, Netherlands, Springer Publ., 1996, pp. 129–138.

14. Warcup J.H. Effect of Fire on the Soil Microflora and Other Non-Vascular Plants. Fire and the Australian Biota. Ed. by A.M. Gill, R.H. Groves, I.R. Noble. Canberra, Aust. Acad. Sci. Publ., 1981, pp. 203–214.

Received on September 27, 2017

---

For citation: Shapiro V.Ya., Grigor’eva O.I., Grigor’ev I.V., Grigor’ev M.F. Theoretical Study of the Soil Mass Destruction Process by Spherical Knives when Using Combined Forest Fire-Fighting Soil-Thrower Constructions. Lesnoy zhurnal [Forestry journal], 2018, no. 1, pp. 61–69. DOI: 10.17238/issn0536-1036.2018.1.61