Влияние конструкции движителя лесозаготовительной машины на лесные почвы Республики Коми

Фирсов Андрей Владимирович

Специальность – «Технология лесозаготовок»,  3 курс

ГПОУ «Сыктывкарский автомеханический техникум»

Руководитель проекта – Столяров Андрей Владимирович, преподаватель

ПРОЕКТ

ВЛИЯНИЕ КОНСТРУКЦИИ ДВИЖИТЕЛЯ ЛЕСОЗАГОТОВИТЕЛЬНОЙ МАШИНЫ НА ЛЕСНЫЕ ПОЧВЫ В РЕСПУБЛИКЕ КОМИ

Цель проекта: Определить тип движителя, наиболее подходящий для работы на лесных почвах Республике Коми в весенне-осенний период.

Задачи: 1) Определить типы почв, преобладающих в нашем регионе.

2) Произвести расчет воздействия на почву различных конструкций движителей лесозаготовительных машин.

3) Выбрать тип движителя, наиболее подходящий для работы на лесных почвах Республики Коми в весенне – осенний период.

4) Рассмотреть способы снижения давления движителя на почву.

Актуальность: Заготовка леса с применением тяжелой техники в весенне – осенний период в республике Коми ограничена или запрещена, так как чувствительность лесных почв к повреждению в процессе лесосечных работ является одним из основных факторов, определяющих эффективность лесозаготовки, возможность применения тех или иных технологий, способов рубки и использование комплексов лесных машин, а также способ лесовосстановления, продуктивность и устойчивость лесных насаждений после рубок. В процессе работы на лесосеках с переувлажненными грунтами лесные машины, многократно совершающие возвратно-поступательные перемещения по трелевочному волоку, разрушают почвогрунт и образуют колеи. Колееобразование приводит к снижению рейсовых нагрузок и производительности машин, их преждевременному износу и выходу из строя, увеличению расхода топлива, невозможности эксплуатации машин, когда глубина колеи достигнет величины дорожного просвета (клиренса) машины. Доказано, что при значительном повреждении лесных почв в ходе лесосечных работ происходит не только нарушение лесовозобновительного процесса, но и снижение продуктивности вторичных лесов до 2 классов бонитета, нарушение гидрологического режима территории, изменение структуры лесных ландшафтов. Причем последствия таких нарушений имеют долговременный характер и сказываются на протяжении нескольких десятилетий после проведения рубок. Для естественного восстановления почвы на несколько сантиметров требуется несколько сотен лет.

Содержание: Республика Коми в основном расположена в пределах двух почвенных зон: северная часть ее - в зоне тундровых почв, большая южная часть - в зоне лесных подзолистых почв.

Типы почв (% от площади республики):

• Тундровые  - 10,3
• Подзолистые  - 22
• Болотно-подзолистые - 44
• Болотные - 6
• Горные - 10

В районах, где преобладают тундровые почвы заготовка леса не производится, в виду отсутствия лесного массива. Лесозаготовка в районах с преобладанием горных и болотных почв затруднена, а зачастую невозможна. Поэтому, заготовка леса в нашем регионе производится в районах с преобладанием болотно – подзолистых и подзолистых почв. В таких районах сосредоточены основная масса елового и березового массива, являющихся основным и наиболее ценным сырьем лесной промышленности нашего региона. Болотно-подзолистая почва имеет слабо дренированную основу, это способствует накоплению воды в верхних слоях грунта и образованию торфяной дернины, что вызывает повышенную восприимчивость к разрушению при прохождении тяжелой техники. В связи с этим лесозаготовка с применением тяжелой техники в Республике Коми в весенне-осенние периоды либо ограничена, либо запрещена.

Рис.1 Структура болотно-подзолистых почв

 С переходом на скандинавскую технологию заготовку леса с применением многооперационных машин появилась возможность продолжать процесс лесозаготовки в весенне-осенние периоды. Лесозаготовительные машины имеют различную конструкцию движителей, соответственно, оказывают различные воздействия на почву.

Движитель — устройство, преобразующее энергию двигателя, либо внешнего источника, через взаимодействие со средой, в полезную работу по перемещению транспортного средства. Является частью машин.

Лесозаготовительные машины, применяемые на лесозаготовках в Республике Коми, оборудуются следующими типами движителей:

1. Колесные, 2. Гусеничные.

В качестве эксперимента произведем расчет ещё одного экспериментального типа движителя: 3. Шагающий.

Практическая часть: В своей работе я произвел расчет влияния давления движителей на почву нашего региона, используя основные формулы:

, где P – удельное давление на грунт (кПа), F – вес, приходящийся на площадь контакта движителя (Н), S – площадь контакта движителя с дорогой (м2), к - коэффициент продольной неравномерности распределения давления по площади контакта.

Таблица 1. Удельное давление на грунт

Расчеты показали, что наименьшее воздействие на грунт оказывают шагающие харвестеры, но при работе техники с шагающими движителями на наших почвах существует возможность провала лап, что приводит к заваливанию харвестера, как установлено на практике. Такие харвестеры целесообразно использовать на более плотных, сухих почвах. Наибольшее применение такие движители нашли на лесозаготовках, осуществляемых в предгорных или холмовых лесах. Благодаря необычной конструкции движителя такие машины наиболее предпочтительны при работе на крутых склонах.

Рис.2 Работа шагающего харвестера

 Для снижения давления на грунт и уменьшения негативного воздействия на почву при работе колесных лесозаготовительных машин предусмотрена возможность установки гусеничных лент на спаренные колёса одной оси. Это приводит к повышению проходимости и снижения интенсивности образования колеи, из-за существенного уменьшения удельного давления на грунт. Однако расчеты и экспериментальные исследования показали, что при установке гусеничных лент удельное давление снижается примерно в 0,7 раза, но остается значительно выше, чем у гусеничных тракторов и машин. 

Рис.3 Гусеничная лента колёсного трактора

При сравнении гусеничного и колесного движителя установлено, что наименьшее воздействие на грунт оказывает гусеничный харвестер.

Способы уменьшения давления движителя на грунт.

При использовании на лесозаготовках классических схем движителей: колёсный и гусеничный, в качестве способа уменьшения давления на грунт используют, как правило, возможность увеличения площади контакта движителя с почвой. С технической точки зрения это безусловно является альтернативой, но в практике не всегда применимо.

Снижение давления гусеничного трактора на опору без уменьшения массы машины и увеличения ее базы может быть достигнуто путем увеличения числа опорных катков, шага или ширины звеньев гусеницы. В практике тракторостроения чаще всего применяются первый и третий способы. Однако увеличение числа катков при неизменной базе возможно лишь при уменьшении их диаметра, но это ухудшает проходимость при преодолении различных препятствий на лесосеке. Уширение звеньев гусеницы приводит к значительному увеличению массы ходовой системы трактора. Кроме того, уширенные звенья менее прочны, чем обычные, и быстро выходят из строя при движении по каменистым почвам и лесным волокам. Кроме того, при увеличении площади контакта колёсных и гусеничных движителей лесных машин, трактор становится плохо управляемым, низко манёвренным и громоздким.

При изучении данной проблемы, опираясь на свой практический опыт, технические расчеты и опыт конструкторов и новаторов других областей и направлений мы определили возможные способы решения данного вопроса.

Металлическая гусеница не решает всех проблем, так как у нее есть свои недостатки:

• разрушает покрытия дорог при переезде с одной делянки на другую;
• передает вибрации от двигателей и механизмов почве, от чего она сильно уплотняется;
• неравномерно распределяет давление по пятну контакта с грунтом – это вызвано тем, что вертикальная нагрузка от каждого катка передается на грунт практически через один трак и в результате статические давления в зоне контакта гусеницы возрастают в несколько раз.

Рис. 4. Распределение давления в металлической гусенице транспортера

Чтобы защитить покрытия дорог от разрушения и снизить влияние вибрации на почву, было предложено сделать гусеницу резиновой. Она более равномерно распределяет давление по опорной поверхности, что уменьшает деформацию, уплотнение и разрушение почвы.

Современные производства предлагают литые резинотросовые гусеницы с автоматическим натяжением. Они обеспечивают высокую тягу при работе на грязи и рыхлой почве, а плотный контакт с поверхностью обеспечивает устойчивость трактора.

Рис.5. Резинотросовая гусеница

Чтобы еще уменьшить давление на почву и сделать его более равномерным, было предложено объединить хорошее поглощение вибрации пневматическим колесом с большой площадью контакта у гусеницы. Получилась резиновая пневматическая гусеница.

Проведенные испытания показали, что эпюры давлений вдоль опорной поверхности пневматической гусеницы так же, как и в движителе с металлической гусеницей, являются неравномерными, но величина давления и неравномерность намного ниже. 

Рис. 7. Распределение давлений: а – в пневматической гусенице; б – в металлической гусенице транспортера

Рис.  8. Эпюры нормальных контактных давлений (а) и осадки торфяной залежи (б) под металлической гусеницей и пневматической гусеницей трактора

Проведенные исследования показали, что пневматический движитель наиболее полно отвечает требованиям, предъявляемым к движителям лесозаготовительных машин с точки зрения снижения уплотняющего воздействия на почву при увеличении тягово-сцепных характеристик и снижения металлоемкости движителя и машины в целом.

Конструкция пневмогусеницы также влияет на качественные показатели. От простых пневмозвеньев необходимо переходить на пневмозвенья сложной конструкции, которая способствует максимальному снижению давления движителя на грунт и наносит минимальный ущерб плодородным слоям и ареалу обитания полезных червей и микроорганизмов.

Рис.9. Давление на почву различных конструкция пневмогусениц

Однако и у пневматической гусеницы есть недостатки по сравнению с металлической гусеницей:

возможность проколов;

низкие тягововые качества на скользких покрытиях;

чувствительность к низким температурам воздуха;

низкая ремонтопригодность.

Выводы

И так, по окончанию проекта мы пришли к заключению:

1. На территории Коми покрытой лесами преобладают болотно-подзолистые почвы
2. Наименьшее воздействие на грунт оказывает гусеничный движитель
3. При использовании резинотросовых и пневматических гусениц можно добиться наименьшего воздействия на лесные почвы республики Коми.

Библиографический список

1. Шегельман И. Р. Исследование направлений модернизации техники и технологии лесозаготовок [Текст] // И. Р. Шегельман // Инженерный вестник Дона. – 2012.

2. Зарубежные лесные машины. -  Б.П. Евдокимов, А.В. Андронов, Н.М. Тетерин.
Учебное пособие. — Сыктывкар: СЛИ, 2013.

3. Альтшуллер Г. С. Творчество как точная наука. 2-е изд., доп. Петрозаводск: Скандинавия, 2004.

4. Наденьте гусеницы - нынче сыро. Изобретатель и рационализатор. 2003, № 3(639).

5. Саламатов Ю. П. Система законов развития техники. Изд. 2-е испр. и доп. Красноярск. 1996.