Исследование процесса разрушения мерзлых и оттаивающих почвогрунтов при воздействии трелевочной системы

УДК

630*372/375

DOI:

10.37482/0536-1036-2020-2-101-117

Аннотация

Заготовка древесины в лесах криолитозоны становится все более актуальной для Российской Федерации, что связано с истощением доступных запасов спелых эксплуатационных лесов в южной и центральной сибири, Бурятии, хабаровском крае при одновременном развитии деревообрабатывающих предприятий в Дальневосточном федеральном округе. При эксплуатации современных лесных машин, в частности колесных форвардеров, особую актуальность приобретают вопросы их эффективности, в первую очередь проходимости и технологической производительности, в конкретных производственных и геотехнических условиях. Эти обстоятельства в сочетании с необходимостью минимизации техногенной нагрузки на окружающую среду выдвигают проблему оптимизации числа проходов трелевочной системы по одному волоку в разряд наиболее актуальных. особые условия эксплуатации трелевочных систем имеют место при производстве лесосечных работ на мерзлых и оттаивающих почвогрунтах. в первом случае в массиве почвогрунта в достаточно большом объеме присутствует лед, оказывающий существенное влияние на повышение его несущей способности под действием начальной вертикальной нагрузки трелевочной системы. во втором случае при оттаивании мерзлого почвогрунта происходит перенасыщение его водой, в связи с чем ослабевают природные связи между твердыми частицами, а его физико-механические свойства утрачивают исходные значения. Форвардер образует колею в непосредственной зоне контакта колеса с почвогрунтом. Чем больше размер этой зоны, тем большие усилия передаются на почвогрунт для реализации необходимой тяги. Разработанная нами математическая модель расчета параметров процесса разрушения массива оттаивающего почвогрунта на границе с зоной мерзлоты позволяет на стадии проектных решений производить оценку предполагаемых значений глубины образованной колеи с учетом технических возможностей форвардеров и их маневрирования в конкретных производственных условиях.

Сведения об авторах

С.Е. Рудов¹, канд. техн. наук; ResearcherID:AAC-9563-2020, ORCID: https://orcid.org/0000-0002-9900-0929
В.Я. Шапиро², д-р техн. наук, проф.; ResearcherID: AAC-9658-2020, ORCID: https://orcid.org/0000-0002-6344-1239
И.В. Григорьев³, д-р техн. наук, проф.; ResearcherID: S-7085-2016, ORCID: https://orcid.org/0000-0002-5574-1725
О.А. Куницкая³, д-р техн. наук, проф.; ResearcherID: AAC-9568-2020, ORCID: https://orcid.org/0000-0001-8542-9380
О.И. Григорьева², канд. с.-х. наук, доц.; ResearcherID: AAC-9570-2020, ORCID: https://orcid.org/0000-0001-5937-0813
¹Военная академия связи им. Маршала Советского Союза им. С.М. Буденного, Тихорецкий просп., д. 3, К-64, Санкт-Петербург, Россия, 194064; e-mail: 89213093250@mail.ru
²Санкт-Петербургский государственный лесотехнический университет им. С.М. Кирова, Институтский пер., д. 5, Санкт-Петербург, Россия, 194021; e-mail: shapiro54vlad@mail.ru, grigoreva_o@list.ru
³Якутская государственная сельскохозяйственная академия, ш. Сергеляхское, 3-й км, д. 3, г. Якутск, Россия, 677007; e-mail: silver73@inbox.ru, ola.ola07@mail.ru

Ключевые слова

мерзлый почвогрунт, лесозаготовка, трелевочная система, уплотнение и деформация почвогрунта

Для цитирования

Рудов С.Е., Шапиро В.Я., Григорьев И.В., Куницкая О.А., Григорьева О.И. Исследование процесса разрушения мерзлых и оттаивающих почвогрунтов  при воздействии трелевочной системы // Изв. вузов. Лесн. журн. 2020. № 2. С. 101–117. DOI: 10.37482/0536-1036-2020-2-101-117

Литература

1. Велли Ю.Я., Докучаев В.В., Федоров Н.Ф. Здания и сооружения на Крайнем Севере. л.: Госстройиздат, 1963. 492 с. [Velli Yu.Ya., Dokuchayev V.V., Fedorov N.F. Buildings and Structures in the Far North. Leningrad, Gosstroyizdat Publ., 1963. 492 p.].
2. Газизов А.М., Шапиро В.Я., Григорьев И.В. Влияние влажности на развитие процесса разрушения коры при роторной окорке // Вестн. МГУЛ–лесн. вестн. 2008. № 6. с. 129–133. [Gazizov A.M., Shapiro V.J., Grigorev I.V. Agency of Moisture on Evolution of Process of Destruction of a Bark at Rotor Disbark. Vestnik Moskovskogo gosudarstvennogo universiteta lesa – Lesnoy vestnik [Forestry Bulletin], 2008, no. 6, pp. 129–133].
3. Григорьева О.И., Григорьев М.Ф., Григорьев И.В. Анализ естественного лесовозобновления в Алексеевском участковом лесничестве Республики Саха (Якутия) // Forest Engineering: материалы науч.-практ. конф. с междунар. участием, г. Якутск, 30–31 мая 2018 г. Якутск: Изд. дом СВФУ. 2018. с. 72–75. [Grigoreva O.I., Grigorev M.F., Grigorev I.V. Analysis of Natural Reforestation in the Alekseevsky Forestry of the Sakha Republic (Yakutia). Forest Engineering: Proceedings of Science and Practical Conference with International Participation, Yakutsk, May 30–31, 2018. Yakutsk, NEFU Publ., 2018, pp. 72–75].
4. Котляренко В.И. Основные направления повышения проходимости колесных машин М.: МГИУ, 2008. 285 с. [Kotlyarenko V.I. The Main Directions of Improving the Mobility of Wheeled Vehicles. Moscow, MSIU Publ., 2008. 285 p.].
5. Куницкая О.А., Шапиро В.Я., Бурмистрова С.С., Григорьев И.В. определение оптимальных параметров процесса прессования и обезвоживания пропитанных древесных материалов // вестн. МГУЛ–лесн. вестн. 2012. № 4. с. 110–115. [Kunitskaja O.A., Shapiro V.J., Burmistrova S.S., Grigorev I.V. Model of Processes and Dehydration of the Impregnated Wood Materials. Vestnik Moskovskogo gosudarstvennogo universiteta lesa – Lesnoy vestnik [Forestry Bulletin], 2012, no. 4, pp. 110–115].
6. Морозов Е.М., Зернин М.В. Контактные задачи механики разрушения. Изд. 2-е. М.: ЛИБРОКОМ, 2010. 544 с. [Morozov E.M., Zernin M.V. Contact Problem of Fracture Mechanics. Moscow, LIBROKOM Publ., 2010. 544 p.].
7. Роман Л.Т., Царапов М.Н., Котов П.И., Волохов С.С., Мотенко Р.Г., Черкасов А.М., Штейн А.И., Костоусов А.И. Пособие по определению физико-механических свойств промерзающих, мерзлых и оттаивающих дисперсных грунтов. М.: Унив. кн., 2018. 188 c. [Roman L.T., Tsarapov M.N., Kotov P.I., Volokhov S.S., Motenko R.G., Cherkasov A.M., Shteyn A.I., Kostousov A.I. A Handbook for Determination of the Physical and Mechanical Properties of Freezing through, Frozen and Thawing Dispersive Soils. Moscow, Universitetskaya kniga Publ., 2018. 188 p.].
8. Теринов Н.Н., Герц Э.Ф., Безгина Ю.Н. Развитие техники и технологий лесозаготовок на Урале // Изв. вузов. Лесн. журн. 2016. № 2. с. 81–90. [Terinov N.N., Gerts E.F., Bezgina Yu.N. Development of Logging Technology in the Urals. Lesnoy Zhurnal [Russian Forestry Journal], 2016, no. 2, pp. 81–90]. DOI: 10.17238/issn0536-1036.2016.2.81, URL: http://lesnoizhurnal.ru/upload/iblock/f46/terinov.pdf
9. Цытович Н.А. Механика мерзлых грунтов. М.: Высш. шк., 1983. 288 с. [Tsytovich N.A. Mechanics of Frozen Soils. Moscow, Vysshaya shkola Publ., 1983. 288 p.].
10. Шапиро В.Я., Шапиро Н.А. Использование цепей Маркова для прогноза эффективности ПИФов // Экономическое развитие и практика: материалы Междунар. науч. конф. (Санкт-Петербург, 05–07 апреля 2007 г.). СПб.: Образоват. центр экономики и менеджмента, 2007. с. 79–81. [Shapiro V.Ya., Shapiro N.A. The Use of Markov Chains for the Efficiency Forecast of Mutual Funds. Economic Development and Practice: Proceedings of the International Scientific Conference (Saint Petersburg, April 5–7, 2007). Saint Petersburg, Obrazovatel’nyy tsentr ekonomiki i menedzhmenta Publ., 2007, pp. 79–81].
11. Шегельман И.Р., Будник П.В. Особенности оценки расчетной рейсовой нагрузки на антецедентной стадии проектирования бесчокерной трелевочной системы на основе машинного эксперимента // Изв. вузов. Лесн. журн. 2019. № 3. С. 82–96. [Shegelman I.R., Budnik P.V. Features of Calculated Truck Load Estimation at Antecedent Design Stage of Chokerless Skidding System Based on Computer Experiment. Lesnoy Zhurnal [Russian Forestry Journal], 2019, no. 3, pp. 82–96]. DOI: 10.17238/issn0536-1036.2019.3.82, URL: http://lesnoizhurnal.ru/upload/iblock/5ee/82_96.pdf
12. 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.
13. 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: 10.1520/GTJ100312
14. Ding L., Yang H., Gao H., Li N., Deng Z., Guo J., Li N. TerramechanicsBased Modeling of Sinkage and Moment for in-situ Steering Wheels of Mobile Robots on Deformable Terrain. Mechanism and Machine Theory, 2017, vol. 116, pp. 14–33. DOI: 10.1016/j.mechmachtheory.2017.05.011
15. 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.
16. 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: 10.1139/X09-027
17. 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: 10.26480/jmerd.02.2018.22.27
18. Khitrov E.G., Andronov A.V. Bearing Floatation of Forest Machines (Theoretical Calculation). IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering, 2019, vol. 695, art. 012020. DOI: 10.1088/1757-899X/695/1/012020
19. 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(7), pp. 743–751. DOI: 10.1139/cjfr-2018-0385
20. Nawaz M.F., Bourrié G., Trolard F. Soil Compaction Impact and Modelling. A Review. Agronomy for Sustainable Development, 2012, vol. 33, pp. 291–309. DOI: 10.1007/s13593-011-0071-8

Ссылка на английскую версию:

The Study of the Destruction Process of Frozen and Thawing Soils Exposed to the Skidding System

THE STUDY OF THE DESTRUCTION PROCESS OF FROZEN AND THAWING SOILS EXPOSED TO THE SKIDDING SYSTEM

S.E. Rudov¹, Candidate of Engineering; ResearcherID: AAC-9563-2020,
ORCID: https://orcid.org/0000-0002-9900-0929
V.Ya. Shapiro², Doctor of Engineering, Prof.; ResearcherID: AAC-9658-2020,
ORCID: https://orcid.org/0000-0002-6344-1239
I.V. Grigorev³, Doctor of Engineering, Prof.; ResearcherID: S-7085-2016,
ORCID: https://orcid.org/0000-0002-5574-1725
O.A. Kunitskaya³, Doctor of Engineering, Prof.; ResearcherID: AAC-9568-2020,
ORCID: https://orcid.org/0000-0001-8542-9380
O.I. Grigoreva², Candidate of Agriculture, Assoc. Prof.; ResearcherID: AAC-9570-2020, ORCID: https://orcid.org/0000-0001-5937-0813
¹Military Academy of Communications named after Marshal of the Soviet Union
S.M. Budyonny, Tikhoretskiy prosp., 3, K-64, Saint Petersburg, 194064, Russian Federation; e-mail: 89213093250@mail.ru
²St. Petersburg State Forest Engineering University named after S.M. Kirov, Institutskiy per., 5, Saint Petersburg, 194021, Russian Federation; e-mail: shapiro54vlad@mail.ru, grigoreva_o@list.ru
³Yakut State Agricultural Academy, sh. Sergelyakhskoye, 3 km, 3, Yakutsk, 677007, Russian Federation; e-mail: silver73@inbox.ru, ola.ola07@mail.ru

Wood logging in the forests of the cryolithozone is growing more urgent for the Russian Federation due to the depletion of available reserves of mature commercial forests in southern and Central Siberia, the Republic of Buryatia, and Khabarovsk Krai, while the development of woodworking enterprises in the Far Eastern Federal District. During the operation of modern forest machines, for instance wheeled forwarders, the issues of their efficiency, first of all, mobility and technological productivity in the specific production and geotechnical conditions are now becoming ever more relevant. These circumstances together with the necessity to minimize the anthropogenic load on the environment put forward the problem of optimizing the number of passes of the skidding system by one run into the most pressing ones. Special conditions for the operation of skidding systems take place in logging operations on frozen and thawing soils. In the first case, there is a sufficiently large volume of ice in the soil massif. The ice has a great impact on increasing the bearing capacity of the soil under the influence of the initial vertical load of the skidding system. In the second case, frozen soil is oversaturated with water when thawing; therefore, the natural bonds between the solid particles grow week, and the physical and mechanical properties of the soil lose their original values. The forwarder forms a rut in the immediate area of contact of the wheel with the soil. The larger the size of the area, the higher the force transferred to the soil for implementation of the necessary traction. We have developed the mathematical model of calculation of parameters of the destruction process of the thawing soil massif on the border with the permafrost zone. The model allows to make an assessment of hypothetical values of depth of the formed rut including engineering capabilities of forwarders and their maneuvering in the work environment at the design stage.
For citation: Rudov S.E., Shapiro V.Ya., Grigorev I.V., Kunitskaya O.A., Grigoreva O.I. The Study of the Destruction Process of Frozen and Thawing Soils Exposed to the Skidding System. Lesnoy Zhurnal [Russian Forestry Journal], 2020, no. 2, pp. 101–117. DOI: 10.37482/0536-1036-2020-2-101-117

Keywords: frozen soil, logging, skidding system, soil compaction, soil deformation.

Поступила 01.04.19 / Received on April 1, 2019