АНАЛИЗ ВЛИЯНИЯ ПАРАМЕТРОВ ГУСЕНИЧНОГО ДВИЖИТЕЛЯ ЛЕСНЫХ МАШИН НА УПЛОТНЕНИЕ СЛАБЫХ ПОЧВО-ГРУНТОВ
Лобанов В.Н., Кривченкова Г.Н., Артемов А.В., Белов А.А.,
Нестеров Д.Ю. (БГИТА, г. Брянск, РФ)
The Installed regularity of the compaction weak ground soil at influence of the caterpillar timber machines, broughted results theoretical and experimental studies of the influence parameter caterpillars on compaction.
Механизм взаимодействия гусеничных лесных машин со слабым грунтом значительно сложнее, чем у обычной гусеничной техники (транспортной, сельскохозяйственной, экскаваторной). Это объясняет сложными условиями работы лесных машин, вызывающими резкие изменения нагрузок в процессе работы, действующих как в узлах технологического оборудования, трансмиссии, ходовой системы, так и непосредственно на почву. Колебания корпуса лесных машин, возникающие при их движении в процессе работы по неровной поверхности лесосеки, вызывают дополнительное увеличение давления гусеницы на почву, и приводит к изменению поля напряжений в толще грунта. При этом переуплотнение почво-грунта происходит не только в верхних слоях, но и на глубине 40-50 см. В результате корневая система растений формируется в пределах почвенного покрова (20-25 см), содержание влаги, в котором неустойчиво, что в значительной степени отражается на продуктивности растений и деревьев.
Данная работа посвящена исследованию влияния параметров гусеничного движителя лесных машин на уплотнение почвы с низкой несущей способностью.
Как показали результаты экспериментальных исследований, деформация слабых лесных почво-грунтов не подчиняется линейному закону [1, 2].
При решении задачи в нелинейной постановке общую деформацию почво-грунта рассматривают, как сумму линейной деформации уплотнения и деформации от сдвига грунтовых частиц [1, 2].
Принимая во внимание данное обстоятельство общую деформацию слабого почво-грунта предлагается определять по формуле [3]:
. (1)
Многочисленные исследования, проведенные в последние годы с гусеничными машинами на плотных и слабых минеральных грунтах [2], установили, что глубина колеи h определяется максимальными нормальными давлениями под опорными катками qmax гусеницы на грунт, по которым ориентируются конструкторы при проектировании гусеничных машин.
Для определения qmax воспользуемся формулой [5]:
(2)
где 
- максимальное давление
гусеничного движителя на почву под i-м опорным катком, МН/м2;
n - число опорных катков движителя.
Предлагаемая формула (1) учитывает влияние на уплотнение грунта как свойств грунта (m, b, Е0, qs), так и параметров гусеничного движителя и машины (b, L, qmax).
Расчет осадки слабого почво-грунта под нагрузкой от гусеничной машины, выполненный по уравнению (11), показал, что размеры опорной поверхности (ширина b и длина опорной поверхности гусеницы L), давление гусеницы оказывают различное влияние на величину уплотнения.
Так с увеличением ширины гусеницы, при сохранении среднего давления, глубина колеи растет на всех грунтах (сплошные линии) (рисунок 1).
Для анализа выбраны характерные лесные грунты, основные параметры которых приведены в таблице.
Аналогичное явление наблюдается и при изменении длины опорной поверхности гусеницы (рисунок 2). Физически это можно объяснить распределением напряжения на большую площадь и глубину грунта. Под напряженным состоянием оказываются новые частицы грунта. Напряжения преодолевают связи между частицами, структурными агрегатами и вызывают их перемещение в новое более устойчивое положение.
|
___ |
1 |
- расчет по уравнению (1); |
|
|
|
Результаты экспериментов: |
|
|
2 |
- трактор ТДТ-55 [3]; |
|
|
3 |
- по данным зарубежных исследователей [2]; |
|
|
4 |
- по исследованиям [2]; |
|
… |
|
- гусеничная модель [3]. |
Рисунок 1 - Зависимость деформации почво-грунта h от ширины гусеницы b
Цифрами обозначены типы почво-грунтов в соответствии с таблицей.
Таблица - Физико-механические свойства почво-грунтов
|
|
Параметры почво-грунта |
||
|
Тип почво-грунта |
Е0, МПа |
qs, МПа |
m |
|
1. Осушенная торфяная целина |
0,15 |
0,12 |
0,28 |
|
2. Влажная почва с перегноем |
0,17 |
0,15 |
0,3 |
|
3. Задернелая почва |
0,2 |
0,2 |
0,35 |
|
4. Песок |
0,27 |
0,25 |
0,4 |
На рисунках 3 и 4 приведены графические зависимости
величины осадки грунта от отношения длины опорной поверхности гусеницы к ее ширине
.
Анализ кривых показывает, что деформация слабого грунта растет при увеличении x
за счет изменения L и
постоянной ширины гусеницы (рисунок 3).
Рисунок 2 - Зависимость деформации почво-грунта h от длины опорной поверхности гусеницы L (обозначения те же, что и на рисунке 1)
Рисунок 3 - Зависимость деформации почво-грунта h от величины отношения х = L/b (при b=const) (обозначения те же, что и на рисунке 1)
В то же время при увеличении x за счет изменения b и постоянной длине опорной поверхности деформация слабого почво-грунта уменьшается (рисунок 4).
Это объясняется тем, что осадка слабого грунта происходит на первой стадии его деформации, т.е. происходит процесс уплотнения. Пластические деформации в данных случаях незначительны, т.к. для расчета величины h взято среднее давление гусеницы на грунт основного базового лесного трактора ТДТ-55А, равное q0 = 0,045 МПа и которое остается постоянным при всех изменениях L и b. Это говорит о том, что при увеличении размеров гусеницы растет вес трактора (при q0 = 0,045 МПа = const).
Рисунок 4 - Зависимость деформации почво-грунта h от величины отношения х = L / b (при L =const) (обозначения те же, что и на рисунке 1)
В свою очередь влияние среднего давления гусеницы на деформацию грунта показано на рисунке 5.
Анализируя характер кривых видим, что при небольших значениях среднего давления q0 осадка грунта изменяется почти в прямой зависимости от нагрузки.
При дальнейшем росте среднего давления прямая пропорциональность изменения деформации грунта исчезает. При нагрузке, составляющей q0 ³ 0,5 qs , деформация соответствующего грунта прогрессивно растет даже, если давление больше и не увеличивается. Данный факт объясняется тем, что при такой нагрузке напряжения, возникающие в массиве грунта, преодолевают связи, действующие в точках контакта между отдельными частицами, структурными агрегатам и вызывают их перемещение в новое, более устойчивое положение. Осадка машины поэтому резко увеличивается.
На рисунках, показывающих расчетные изменения h от конструктивных параметров гусеничного движителя (сплошные линии), приведены отдельные результаты экспериментальных исследований деформации грунта под нагрузкой от деформаторов определенных размеров [1, 2, 3].
Удовлетворительная сходимость расчетных и опытных результатов позволяет рекомендовать полученное уравнение (1) для определения уплотнения почво-грунта под гусеничными машинами и исследования механики взаимодействия движителя со слабым почво-грунтом.
Рисунок 5 - Зависимость деформации h от давления гусеницы на почво-грунт q0
(обозначения те же, что и на рисунке 1)
Заключение
По результатам исследований, выполненных в настоящей работе можно сделать следующие выводы:
1. На основании теории упруго-пластичных сред с использованием положений механики грунтов получена аналитическая зависимость (1) для определения величины деформации слабого грунта под действием нагрузки от гусеницы лесной машины.
2. Как подтвердили экспериментальные исследования, полученное уравнение (1) учитывает влияние конструктивных параметров движителя (L, b, n) и свойств почво-грунта (Е0, qs, m) на колееобразование и может быть использовано при исследовании механики взаимодействия гусеничной машины со слабым грунтом.
Литература
1. Агейкин, Я.С. Вездеходные колесные и комбинированные движители / Я.С. Агейкин. – М.: Машиностроение, 1972. – 134 с.
2. Беккер, М.Г. Введение в теорию систем местность – машина. Пер. с англ / М.Г. Беккер. – М.: Машиностроение, 1973. – 328 с.
3. Лобанов, В.Н. Исследование взаимодействия гусеничного движителя лесных машин со слабым грунтом [Текст] / В.Н.Лобанов // – Архангельск, ИВУЗ «Лесной журнал», - 1997. № 1-2. - С. 45-49
4. Лобанов, В.Н. Определение напряжений в толще грунта под движителем гусеничных машин [Текст] / В.Н. Лобанов. В кн.: Вклад ученых и специалистов в национальную экономику. т.1. – Брянск: БГИТА, 1997. - С. 95-96
5. Ермичев, В.А. Математическая модель для исследования уплотнения почвы при воздействии на неё гусеничной машины [Текст]/ В.А. Ермичев, В.Н.Лобанов, Г.Н.Кривченкова, А.В.Артемов // Актуальные проблемы лесного комплекса. Вып. 14. - Брянск: БГИТА, 2006.