ГУСЕНИЦА ИЛИ КОЛЕСО: ГЛУБИНА КОЛЕИ И ПРОХОДИМОСТЬ (ПетрГУ)

Известно [2], что глубина колеи, образуемой лесными машинами, определяется величиной вертикального давления движителя машины на почву. Существующие методики теоретического обоснования глубины колеи [1, 3] основаны на эмпирических зависимостях и не в полной мере отражают физическую картину изменений в почве при проходах машин.

В Петрозаводском государственном университете (ПетрГУ), под руководством профессора Цыпука А. М. разработана теория, адекватно описывающая реальные физические процессы образования колеи колесными и гусеничными лесными машинами. Например, если напряжение, возникающее под гусеницей трактора, превышает сопротивление почвы смятию, то гусеница будет заглубляться в почву, уплотняя ее. При последующих проходах машина будет уплотнять почву, углубляя колею до тех пор, пока пористость почвы не достигнет своего минимального значения. Аналогичная картина наблюдается при проходах колесной машины [4].

Реальная лесная почва имеет слоистое строение. Верхний слой почвы (лесную подстилку) образуют растительные остатки и растения напочвенного покрова. Этот слой характеризуется низким сопротивлением смятию и повышенной влажностью. Подстилающий слой почвы, имеющий существенно лучшие характеристики по сопротивлению смятию, образуется грунтами различного состава (супеси, суглинки, торф).

На суглинистых и заторфованных почвах, процесс образования колеи происходит в следующем порядке [1, 3, 4]:

1. Сдирание движителем малопрочной лесной подстилки (за счет экскавации грунтозацепами), сопровождающееся выдавливанием содранной подстилки вверх и в стороны от движителя машины;

2. Выравнивание и прикатывание движителем микроповышений подстилающего слоя почвы, сопровождающееся рыхлением его верхнего слоя грунтозацепами и перемешиванием с остатками содранной подстилки;

3. Уплотнение подстилающего слоя почвы под действием вертикального давления при проходах машины. При этом грунтозацепы разрыхляют верхний слой и уплотняют нижележащие слои.

На каменистых и супесчаных почвах процесс образования колеи будет развиваться следующим образом:

При этом деформация почвы под действием вертикального давления с образованием колеи не возникает, т. к. сопротивление смятию подстилающего слоя больше, чем давление движителя. После проходов гусеничной машины останутся следы в виде содранной лесной подстилки и отпечатков от вдавливания грунтозацепов, а после проходов колесной машины содранной лесной подстилки и отпечатков грунтозацепов может и не быть.

При этом глубина образуемой на каменистых или супесчаных почвах колеи будет определяться только толщиной содранной подстилки и высотой микроповышений в подстилающем слое почвы.

Теория и методика расчета глубины колеи была использована для сравнительной аналитической оценки проходимости широко применяемых гусеничных лесопромышленных тракторов ОАО «Онежский тракторный завод (ОТЗ)» и колесных форвардеров фирмы Timberjack (John Deere) в типичных лесорастительных условиях Европейско-Уральской части РФ [4].

Установлено, что давление на почву различных моделей тракторов ОАО «ОТЗ» находится в пределах 38…84 кПа; давление на почву форвардеров Timberjack (John Deere) – 220…400 кПа (в зависимости от конкретной модели), вес, действующий на колеса наиболее нагруженной оси – 25…70 кН.

Например, давление на почву трактора ТЛТ-100 составляет 67 кПа, форвардера Timberjack-1010 – 300 кПа, нагрузка на колеса – 44,3 кН.

Следовательно, вертикальное давление на почву колесных форвардеров Timberjack (John Deere) в 4,7…5,6 раз больше, чем тракторов ОАО «ОТЗ». Уже на основании этого можно утверждать, что глубина колеи, образуемой колесными форвардерами, будет значительно превышать глубину колеи гусеничных тракторов, что подтверждается опытом эксплуатации этих машин на суглинистых и заторфованных почвах в Республике Карелия.

В ходе сравнительного анализа были рассмотрены три типа местности по характеру и степени увлажнения [5]:

1-й. Сухие участки – для этого типа местности характерны сосняки лишайниковые, сосняки-брусничники и близкие к ним типы леса, расположенные на каменистых и супесчаных почвах. Сопротивление почвы смятию – 400…2000 кПа, первоначальная пористость почвы – 40…50 %;

2-й. Сырые участки с временным избыточным увлажнением – для этого типа местности характерны сосняки или ельники-кисличники и черничники и близкие к ним типы леса, расположенные на суглинистых почвах. Сопротивление почвы смятию – 100…400 кПа, первоначальная пористость почвы – 50…60 %;

3-й. Мокрые участки с постоянным избыточным увлажнением – этому типу местности соответствуют сосняки и ельники-долгомошники и близкие к ним типы леса, расположенные на торфяных почвах. Сопротивление почвы смятию – 30…100 кПа, первоначальная пористость почвы – 80…90 %.

Результаты ходе сравнительного анализа тракторов ОАО «ОТЗ» и форвардеров Timberjack (John Deere) представлены на рис. 1–4.

Установлено, что на 1-м типе местности колееобразование под действием вертикальной нагрузки отсутствует, поскольку давление на почву гусеничных тракторов ОАО «ОТЗ» и форвардеров «Timberjack (John Deere)» меньше, чем сопротивление почвы смятию (400…2000 кПа).

На 2-м типе местности образование колеи гусеничными тракторами ОАО «ОТЗ» также отсутствует, поскольку давление на почву этих тракторов меньше, чем сопротивление почвы смятию (100…400 кПа).

В условиях 3-го типа местности (сопротивление почвы смятию – менее 100 кПа) колею не образовывают только трактора типа ТДТ-55А-13, ТЛТ-100-06, ТБ-1М-15 со специальным болотоходным движителем (с давлением на почву менее 50 кПа). Трактора на базе ТЛТ-100 могут образовывать колею глубиной до 30 см (клиренс тракторов – 55 см).

Форвардеры «Timberjack (John Deere)», имеющие давление на почву в пределах 220…400 кПа и нагрузку на колесо 25…70 кН не могут работать на 3-м типе местности из-за недостаточной проходимости – расчетная глубина колеи значительно (до 1,2…1,5 раз) превышает клиренс.

Удовлетворительная проходимость форвардеров обеспечивается только на 2-м типе местности (расчетная глубина образуемой колеи может достигать 25 см, клиренс машин – 60…70 см), при этом с возрастанием несущей способности грунта глубина колеи уменьшается.

С учетом вышеизложенного, можно сделать следующие выводы:

1. Для освоения лесосек на 1-м типе местности по степени увлажнения (почвы каменистые и супесчаные) возможно использование как колесных, так и гусеничных машин без ограничения по проходимости;

2. Для освоения лесосек на 2-м типе местности (суглинистые почвы) возможно использование гусеничных тракторов ОАО «ОТЗ» без ограничения по проходимости. В случае использования в безморозный период колесных форвардеров «Timberjack (John Deere)» необходимо проводить проверку по условию колееобразования, поскольку давление этих машин на почву сравнимо, либо превышает сопротивление смятию почвы этого типа местности.

Весной и осенью, когда сопротивление смятию почвы 2-го типа местности может снижаться в 2…3 раза, для освоения лесных площадей следует использовать гусеничные трактора, либо обеспечивать проходимость колесных форвардеров сплошным укреплением волоков порубочными остатками;

3. Для освоения лесосек на 3-м типе местности по степени увлажнения (заторфованные почвы) в безморозный период следует использовать только гусеничные трактора ОАО «ОТЗ». Проходимость этих тракторов на топких участках обеспечивается укреплением волоков порубочными остатками;

Сравнение тракторов ОАО «ОТЗ» и форвардеров «Timberjack (John Deere)» выявило преимущество отечественных гусеничных тракторов в проходимости по лесосекам, расположенным на почвах с низкой несущей способностью, которые, например, в Республике Карелия занимают около 40 % всего лесосечного фонда.
А. В. Родионов, канд. техн. наук
Петрозаводский государственный университет (ПетрГУ)

Использованная литература:

1. Бит Ю. А. Некоторые вопросы исследования работоспособности трелевочных волоков / Ю. А. Бит, И. В. Григорьев // Тр. лесоинженерного факультета ПетрГУ. – Петрозаводск: Изд-во ПетрГУ, 2001. – вып. 3. – С. 11–13.

2. Федосеев О. В. Машины ОАО «ОТЗ» – машины нового поколения / О. В. Федосеев, М. И. Куликов // Тр. лесоинженерного факультета ПетрГУ. – Петрозаводск: Изд-во ПетрГУ, 2001. – вып. 3. – С. 92–95.

3. Анисимов Г. М. Основы минимизации уплотнения почвы трелевочными системами / Г. М. Анисимов, Б. М. Большаков. – СПб.: Изд-во СПбГЛТА, 1998. – 82 с.

4. Родионов А. В. Рубка и восстановление леса на основе ресурсосберегающей технологии. – М.: Флинта: Наука, 2006. – 276 с.

5. Матвеенко Л. С. Автомобильные лесовозные дороги: Справочник / А. М. Матвеенко. – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Экология, 1991. – 336 с.

При перепечатке ссылка на www.woodbusiness.ru обязательна!