Сегодня эффективность развития лесопромышленного комплекса зависит от эффективности развития транспортной инфраструктуры. Однако, по данным Федерального агентства лесного хозяйства Российской Федерации, в России на 1 тыс. га леса приходится всего лишь 1,2 км лесовозных дорог, в то время как в Европе эта цифра во много раз больше.
В настоящее время лесовозные дороги без должной регулярной реконструкции непригодны для эксплуатации. Весной и осенью они становятся непроходимыми. Все это обуславливает сезонность работы лесопромышленного комплекса, которую можно устранить при развитии и одновременном поддержании качества лесовозных дорог на должном уровне. Сеть постоянных лесовозных дорог – необходимое условие для перехода на интенсивное воспроизводство лесов.
В регионе лесозаготовительных и деревоперерабатывающих предприятий необходимо создать единую транспортную сеть для перевозки лесных грузов, в которой лесовозные дороги являются необходимыми звеньями. При этом государство должно выполнять координирующую роль – модернизацию всего лесного сектора страны, начальный этап которой – оптимизация его транспортной инфраструктуры.
Повышению эффективности выполнения лесозаготовительных операций посвящены труды ученых. Однако взаимосвязь системы «машина ? грунт» до конца еще не изучена и не раскрыта.
В отечественной и зарубежной литературе достаточно много исследований, посвященных вопросам зависимости колееобразования от числа проходов лесовозной техники. Доказано, что глубина колеи лесовозных усов определяется, прежде всего, физико-механическими свойствами грунта, а также получаемой нагрузкой.
В работах авторов [1, 2] выполнен анализ глубины колеи в зависимости от нагруженности колеса, при этом, к сожалению, не упоминается про модуль деформации грунтов. Однако авторы подробно занимаются изучением влияния геометрических параметров дорог, а также числа проездов техники на образование колеи. Авторы приходят к выводу, что установленные параметры способствуют образованию колеи.
В некоторых работах [3] рекомендуется для уменьшения давления на грунт и снижения колееобразования колесо транспортного средства погрузить в грунт на 0,2D, где D – диаметр колеса автопоезда. Авторы утверждают, что увеличивается площадь контакта колеса с естественной поверхностью и, следовательно, уменьшается нагрузка на почвогрунт. К сожалению, такие рекомендации не согласуются с требованиями отечественных стандартов. Исходя из требований ГОСТ 26955-86, величина удельного давления на почвогрунт колеса транспортного средства определяется отношением создаваемой колесом нагрузки и площадью отпечатка колеса на жестком основании. При этом известно, что величина давления на почвогрунт по отношению к величине давления на жесткое основание берется на 10 % ниже. Следуя рекомендациям зарубежных исследователей при определении величины давления на почвогрунт теоретически, получаем ее значение, заниженное в 2,5 раза по сравнению со значением, полученным экспериментальным путем.
В работах авторов [4] изучено влияние сезонности лесозаготовок на образование колеи лесовозных усов. К сожалению, весенняя и осенняя распутицы способствуют образованию колеи и снижают в 2…4 раза работоспособность лесовозных дорог и эффективность вывозки лесопродукции, а, также увеличивают себестоимость древесины в 4…5 раз.
Установлено влияние скорости движения транспортного средства на удельное давление на грунт. Получены оптимальные скорости движения транспортного средства – 4…5 км/ч, при которых наблюдается наименьшая интенсивность колееобразования.
Ездовыми поверхностями для трелевочно-транспортных систем (ТТС) являются расчищение от древесной и кустарниковой растительности трелевочные волоки, естественные грунтовые поверхности, луговины, лесные просеки и т.п.
Проезжая часть волоков грубо планируется с засыпкой ям и срезкой горбов, препятствующих движению. При удовлетворительной эксплуатации волоков и уходе за ними неровности пологого профиля групповой поверхности по высоте, как показали исследования, не превосходят 10 см [1, 2]. Авторами по материалам натурных обследований и съемок микропрофилей волоков в Республике Коми была установлена следующая корреляционная зависимость между высотами пологих неровностей (в метрах):
Hнер = 0,03B + 0,002,
где В – длина неровности, м.
На волоках, при высокой влажности грунта и недостаточном уходе, в процессе эксплуатации возникают неровности порогового типа (пни, корни и т.п.).
Значительную часть года ездовые поверхности волоков покрыты снегом. Проезжаемость трелевочных волоков, то есть их пригодность для движения комплексных трелевочно-транспортных систем (КТТС) как с грузом, так и без груза с неэксплуатационными скоростями зависит в основном от наличия на ездовой поверхности:
– неровностей различного вида, в том числе пороговых, то есть с отвесными или близкими к этому стенками, расположенных выше уровня ездовой поверхности (пни, камни и т.д.);
– колеи и рытвины, образовавшиеся при движении КТТС;
– рода грунта на поверхности волока и его влажности.
Количественными показателями, характеризующими проезжаемость волока, могут быть значения коэффициента сцепления, средне известного удельного сопротивления давлению КТТС с грузом и предельные размеры (высота или глубина) редко выраженных неровностей на волоке, в том числе колей.
Металлические свойства грунтов, слагающих ездовые поверхности, определяются зерновым составом почв и грунтов, их влажностью и плотностью, а также наличием или отсутствием дернового покрова.
В табл. 1 приводятся средние значения механических показателей связанных грунтов.
Сцепные свойства несвязных грунтов в меньшей степени зависят от влажности. Величина сцепления у песков близка к нулю (в среднем с = 0,1 Н/см2 у крупных песков и доходит до с = 0,4…0,7 Н/см2 – у пылеватых и мелких песков). Сцепные свойства песчаного грунта зависят в основном от угла внутреннего трения, величина которого колеблется от 38…40° (крупные пески) до 32…38° (мелкие пески) [3, 4, 5].
Сопротивление движению увеличивает липкость грунтов. Это свойство оценивают удельной силой, которую необходимо приложить к пластине для ее отрыва от грунта. Липкость грунта зависит от удельного содержания глинистых частиц в грунте и влажности. Например, для супеси липкость равна 0,5 Н/см2 при Wот = 0,7; 1,2 Н/см2 при Wот = 0,8; 1,8 Н/см2 при Wот = 0,9; 0,8 Н/см2 Wот = 1; 0,5 Н/см2 при Wот = 1,1.
Таблица 1
Средние значения механических показателей связанных грунтов
|
Виды грунтов |
Модуль деформации, Н/см2 |
Угол внутреннего трения, ° |
Сцепление, Н/см2 |
Несущая способность, Н/см2 |
|
Влажность ниже предела пластичности |
||||
|
Легкий суглинок |
Свыше 2500 |
24…25 |
5…10 |
35…70 |
|
Суглинок |
Более 3500 |
21…23 |
6…12 |
45…90 |
|
Глина |
5000 |
15…20 |
7,5…15 |
50…100 |
|
Влажность равна пределу пластичности |
||||
|
Легкий суглинок |
До 2500 |
21…22 |
3,5…7,5 |
25…50 |
|
Суглинок |
До 3500 |
18…20 |
4…8 |
35…60 |
|
Глина |
До 5000 |
11…17 |
5…10 |
35…70 |
|
Влажность равна 55…75 % от предела текучести |
||||
|
Легкий суглинок |
До 1500 |
19…20 |
1,5…3,5 |
10…25 |
|
Суглинок |
До 2000 |
16…18 |
2,5…4 |
17…30 |
|
Глина |
2000…2500 |
7…15 |
3…5 |
20…30 |
|
Влажность равна пределу текучести |
||||
|
Легкий суглинок |
300…400 |
16…18 |
1…1,2 |
7…8 |
|
Суглинок |
300…400 |
12…15 |
1…1,5 |
6…9 |
|
Глина |
300…400 |
3…11 |
1…1,5 |
5…9 |
Таблица 2
Свойства снега
|
Механические свойства снега |
Плотность, г/см3 |
|||||
|
0,15 |
0,20 |
0,30 |
0,40 |
0,50 |
0,60 |
|
|
Сцепление, Н/см2 |
0,5 |
0,6 |
6,2 |
9,0 |
12,0 |
22 |
|
Коэффициент трения |
– |
0,35 |
0,40 |
0,43 |
0,45 |
0,5 |
|
Модуль деформации, Н/см2 |
60–80 |
150 |
250–300 |
550 |
1000 |
|
Свойства снега зависят от его плотности и температуры. Например, при t = –10 °С снег имеет следующие свойства (табл. 2).
Величина коэффициента сцепления зависит от физико-механических свойств грунтовой поверхности следующим образом:
(1)
где Kн – коэффициент, учитывающий неодновременность появления сдвигов грунта во впадинах протектора шин; Kш – коэффициент распределения давления колеса на грунт между грунтозацепами и впадинами; с – сцепление, Н/см2; τр – удельное сопротивление трению покрышки по грунту, Н/см2; λ – отношение р:po; р – удельное давление колеса на грунт, Н/см2; po – давление воздуха в шине, кгс/см2; φ – угол внутреннего трения грунта.
Величину средневзвешенного удельного сопротивления движению КТТС с грузом, с учетом влияния пороговых неровностей, можно выразить следующим образом
(2)
где 
(3)
(4)
где Qм – масса КТТС, т; Qпол – масса полезной нагрузки, т; K – коэффициент распределения полезной нагрузки между опорным устройством КТТС и грунтовой поверхностью; Wдр – удельное сопротивление движению пакета сортиментов по грунту, Н/т; Wкол – основное удельное сопротивление движению КТТС, Н/т; 
– среднее дополнительное удельное сопротивление движению КТТС по пороговым неровностям, Н/т; Q1 – масса КТТС, приходящаяся на 1 колесо, т; D – диаметр колеса, см; E – модуль деформации грунта, Н/см2; Kкин – коэффициент, учитывающий возмещение расходований при преодолении порогового препятствия кинетической энергии (1,1…1,2); β – среднее количество пороговых препятствий на 1 пог. м волока; Hср – средняя высота порогового препятствия, см; δ – деформация шины под нагрузкой, см.
Ограничение проезжаемости волоков наличием внешних непреодолимых неровностей порогового типа или глубоких, близких к величине дорожного просвета машины рытвин, колей и т.п. может иметь место лишь при неудовлетворительном содержании волока, чего нельзя допускать.
Полученные зависимости характеризуют влияние физико-механических свойств грунта и его состояния (влажности) на величину сцепления ведущих колес машин с ездовой поверхностью и позволяют установить оптимальные значения среднего удельного давления колеса трелевочно-транспортной системы, диаметра колеса и, следовательно, величины pD, характеризующей воздействие системы на ездовую поверхность, а также минимальный радиус проходимости и другие характеристики.