Woodland ploughs baricentric parametres research using computing engineering tools

Full Text

Актуальные на 2025 г. данные свидетельствуют о сохранении Россией статуса ведущей лесной державы: согласно докладу Продовольственной и сельскохозяйственной организации ООН (ФАО) «Глобальная оценка лесных ресурсов 2025 года» на долю РФ приходится 20 % мировых лесов. Для восполнения и увеличения объемов лесного фонда РФ необходимо проведение работ по своевременному восстановлению утрачиваемых насаждений [1–3].

Современные методы производственной деятельности в лесном хозяйстве позволяют достичь высоких показателей лесовосстановления после заготовок деловой древесины и лесных пожаров. Современные лесозаготовительные комплексы обеспечивают эффективность разработки лесосек в различных природно-климатических условиях, что ввиду наблюдаемого истощения лесосырьевых ресурсов приобрело широкую актуальность [4–6]. В работах [7], [8] отмечается факт выполнения лесосечных работ в пределах бореальных лесов, восстановление которых представляет собой первостепенную задачу лесного хозяйства, поскольку именно эти леса северной таежной зоны способствуют активной абсорбции углерода из атмосферы. Заготовка древесины часто осуществляется на временно переувлажненных площадях, характеризующихся возникновением избытка влаги в результате таяния снега или выпадения обильных дождей, что приводит к ее накоплению, а в некоторых случаях обуславливает и подъем грунтовых вод, но имеет временный характер [9].

Эффективное выполнение технологических операций по лесовосстановлению в задаваемых продленным до 2030 г. федеральным проектом «Сохранение лесов» объемах невозможно без применения средств механизации работ, в частности по подготовке почвы и дальнейшему уходу за лесными культурами, в том числе в зонах таежных и широколиственных лесов бореальных широт [10]. Важность использования эффективных орудий и машин для обработки лесных почв отражена в работах [11–14], из которых также следует необходимость использования современных технических средств в практической деятельности лесоводов для комплексной механизации лесохозяйственного производства и обработки почвы как наиболее трудоемкой операции.

Согласно общепринятым правилам лесовосстановления на влажных почвах рекомендуется применять следующие две основные технологии подготовки микроповышений поверхности (рис. 1) [15–17]:

• посадка лесных культур по краям борозд в отваленные пласты (рис. 1, а) — для зоны смешанных и лиственных лесов на влажных, сырых и избыточно увлажненных почвах;
• высаживание посадочного материала в насыпи в виде дискретных холмиков или линейных гряд или создание канав с отваленными пластами (рис. 1, б) — на временно или избыточно увлажненных почвах.

 

Рис. 1. Способы создания лесных культур на влажных почвах по краям борозд в отваленные пласты (а) или грядами (б)

Fig. 1. Methods of creating forest culture on moist soils: along the edges of the furrows into turning of layers (a) or ridges (б)

 

При создании микроповышения на поверхности восстанавливаемой площади необходимо проанализировать природно-производственные условия и изучить рельеф местности, затем выбрать оптимальную технологию посадки в целях предотвращения или уменьшения негативного воздействия влаги на созданные культуры [18–23]. Исследования показывают, что у саженцев, высаженных на микроповышениях, корневая система развивается более симметрично, в то время как в бороздах корни саженцев произрастают преимущественно параллельно созданному углублению [24].

Дискретные возвышения на поверхности вырубки в виде холмиков создаются на участках, где имеется значительное количество препятствий в пределах относительно небольших площадей или рельеф местности не позволяет создать линейное насаждение [25]. В связи с этим нет возможности провести расчистку площади, что уменьшает потенциал механизации дальнейших работ по уходу за насаждениями. Исходя из этого, линейные микроповышения в виде гряд или пластов предпочтительнее и имеют некоторые преимущества при создании лесных культур, что подтверждают ранее проведенные исследования [26]. Например, в работе Б.А. Мочалова отмечен факт наличия преимущества в развитии лесных культур сосны с закрытой корневой системой (ЗКС), созданных по отваленным пластам по сравнению с посадкой на целине вследствие лучших условий для питания растений [27]. В статье [28] представлен сделанный на основании собранных данных вывод о существенно худших показателях роста культур на дискретных микроповышениях, чем на грядах или пластах.

В большом количестве лесных орудий, предназначенных для образования гребней, гряд или пластов как отечественного, так и зарубежного производства, согласно опыту их эксплуатации имеются некоторые недостатки. В частности, большинство орудий не создает достаточно уплотненного микроповышения при его прокладке, что увеличивает сроки создания лесных насаждений.

Для повышения качества линейных гребней при выполнении лесовосстановительных работ была создана конструкция лесного плуга (рис. 2, а) [29], состоящая из рамы 1 с механизмом навески, дисковых ножевых батарей 2, правооборачивающего лемешного корпуса 3 и левооборачивающего корпуса 4, сферических дисков 5, которые совместно подрезают и перемещают подрезанные пласты почвы к центру невозделанной полосы с одновременным их оборотом, и уплотняющего катка 6 для формирования профиля гребня и его уплотнения.

 

Рис. 2. Разрабатываемые лесные плуги для создания линейных микроповышений поверхности в виде гряд (а) или отваленных пластов (б)

Fig. 2. Woodland plows being developed for formation linear microhills of the surface in the form of ridges (a) or turning of seams (б)

 

Качественное микроповышение поверхности в виде отваленных по обе стороны пластов формируется разрабатываемым лесным плугом (рис. 2, б). Среди элементов конструкции орудия основными являются рама 1, ножевой барабан 2, двухотвальный лемешный корпус 3 для создания борозды и дополнительные катки-рыхлители 4 для измельчения и уплотнения отваленных почвенных масс.

Цель работы

Цель работы — исследование массоинерционных характеристик разрабатываемых лесных плугов, предназначенных для образования микроповышений поверхности в виде линейных гребней или отваленных пластов, для оценки расположения центра масс и подбора агрегатируемого трактора.

Материалы и методы

Исследования массоинерционных характеристик проектируемых орудий проводились с помощью современных CAD-систем автоматизированного проектирования. Данный подход, в отличие от традиционных методик, дал возможность получить необходимые данные о проектируемом объекте с меньшими затратами временны́х и материальных ресурсов [30]. Исследование массоинерционных характеристик почвообрабатывающего агрегата позволяет упрощенно определить эффективную схему агрегатирования с базовым трактором, а также провести динамические расчеты для машинно-тракторного агрегата (МТА) [31]. Результаты ранее выполненных работ показывают, что рационально реализованная компоновка разрабатываемого орудия в виде компактного размещения его рабочих органов позволяет добиться снижения требуемой массы агрегатируемого тягового средства, например в виде противовесов [32]. Кроме того, при исследовании применяли численный метод с использованием САПР.

Результаты и обсуждение

Начальный этап исследования заключался в оценке распределения массы орудий по узлам их конструкции. Построены эпюры поверхностей распределения массы по элементам конструкции разрабатываемых плугов (рис. 3).

 

Рис. 3. Поверхностные массовые эпюры разрабатываемых лесных плугов для создания линейных гряд (а) и отваливания пластов (б): 1 — вид сверху; 2 — вид сбоку; 3— вид спереди; для наиболее тяжелых узлов конструкции использован красный цвет

Fig. 3. Surface mass diagrams of woodland plows being developed for creating linear ridges (a) and dumping layers (б): 1 — top view; 2 — side view; 3 — front view; red color is used for the heaviest components of the structure

 

Полученные данные показали, что наибольшей массой в конструкции плуга для линейных гряд обладают работающие всвал лемешно-отвальные корпуса и уплотняющий каток (рис. 3, а), а в плуге для отваливания пластов – двухотвальный лемешный корпус и катки-рыхлители (рис. 3, б).

Значительная масса данных узлов обусловлена их металлоемкостью, поскольку их корпуса подвергаются основной динамической нагрузке при отделении пласта почвы от основного массива, в связи с чем им необходимо иметь повышенную прочность. В свою очередь, катки должны достаточно хорошо уплотнять микроповышение и формировать его профиль, а в плуге, отваливающем пласты по краям борозды, — дополнительно измельчать почву, что также требует повышенной массы данных элементов конструкции. Кроме того, большую металлоемкость имеют и дисковые ножевые батареи. В процессе работы они подвергаются нагрузке при смятии растительности и при наезде на препятствия в виде небольших пней и корней, поэтому им следует иметь достаточную прочность (рис. 4).

 

Рис. 4. Массоинерционные характеристики разрабатываемых лесных плугов для создания линейных гряд (а) и отваливания пластов (б): 1 — вид сбоку; 2 — вид спереди

Fig. 4. Massinertial characteristics of the developed forest plows for creating linear ridges (a) and turning of seams (б): 1 — side view; 2 — front view

 

Основные массоинерционные характеристики исследуемых конструкций представлены в табл. 1 и 2.

 

Таблица 1

Массоинерционные характеристики плуга для создания микроповышений

Massinertial characteristics of a plow for creating microhills

Наименование параметра	Единица измерения	Числовое значение
Масса плуга	кг	1469,84
Центр тяжести	м	x = 0,01 y = –1,14 z = –2,00
Основные оси инерции	м	lx = (–0,01, –0,10, 0,99) ly = (1,00, 0,00, 0,01) lz = (0,00, 0,99, 0,10)
Основные моменты инерции	кг∙м2	Px = 1372,66 Py = 4197,00 Pz = 5185,37
Моменты инерции относительно системы координат	кг∙м2	lxx = 4196,78;  lyx = –1,07;  lzx = –25,58 lyx = –1,07;  lyy = 5146,21;  lyz = –384,36 lzx = –25,58;  lzy = –384,36;  lzz = 1412,0

 

Таблица 2

Массоинерционные характеристики плуга для создания отваливания пластов

Massinertial characteristics of a plow for turning of seams

Наименование параметра	Единица измерения	Числовое значение
Масса плуга, кг	кг	622,91
Центр тяжести, м	м	x = –1,25 y = 0 z = –0,21
Основные оси инерции, м	м	lx = (1, 0, –0,02) ly = (0, 1, 0) lz = (0,02, 0, 1)
Основные моменты инерции	кг∙м2	Px = 134,53 Py = 387,06 Pz = 442,08
Моменты инерции относительно системы координат	кг∙м2	lxx = 134,61;  lyx = 0,04;  lzx = –4,8 lyx = 0,04;  lyy = 387,06;  lyz = –0,01 lzx = –4,8;  lzy = –0,01;  lzz = 442

 

Ввиду высокой металлоемкости и больших габаритов плуг для линейных гряд имеет массу 1500 кг, что требует применения тяговых средств класса от 3 тс. Масса плуга для создания микроповышений в виде отваленных пластов составляет около 630 кг, что позволяет для агрегатирования с ним использовать менее мощные тракторы класса 1,4…2 тс.

Согласно габаритным параметрам и распределению массы по конструкциям было найдено положение центра масс разрабатываемых орудий (рис. 5).

 

Рис. 5. Положение центра масс разрабатываемых лесных плугов для создания линейных гряд (а) и отваливания пластов (б)

Fig. 5. The position of the center of mass of the developed woodland plows for creating linear ridges (a) and turning of seams (б)

 

Анализ полученной визуализации показал, что центр масс спроектированных орудий лежит на оси симметрии конструкций. Для плуга, образующего линейные гряды, центр масс располагается между корпусами и сферическими дисками (рис. 5, а), а в плуге для отваливания пластов — непосредственно в плоскости двухотвального корпуса (рис. 5, б). Ввиду отсутствия дополнительных опорных колес основными точками опоры в каждой из конструкций будут дисковые ножевые батареи, опирающиеся на пластинчатые ножи, либо ножевой барабан, лемешно-отвальные корпусы, опирающиеся на дно борозды, а также каток-формообразователь или катки-рыхлители, воздействующие на микроповышения поверхности в виде гряды или пластов, что обеспечит равномерный ход орудий на заданной глубине обработки лесной почвы [29]. Однако в плуге для создания линейных гряд в зависимости от условий эксплуатации при необходимости возможно продольное разведение рабочих секций «корпус — сферический диск», вследствие чего центр масс орудия может незначительно смещаться на заднюю часть плуга.

Для уточнения компоновки конструкций была проведена проработка схем агрегатирования разрабатываемых плугов в среде CAD (рис. 6).

 

Рис. 6. Агрегатирование лесных плугов с базовыми тракторами для создания линейных гряд в составе агрегата, где тяговое средство трактор Т-150К (а), и отваливания пластов, агрегатируемый с трактором МТЗ-82.3 (б): 1 — рабочее положение; 2 — транспортное положение

Fig. 6. Aggregation of forest plows with base tractors for the creation of linear ridges as part of the unit, where the traction vehicle is the T-150K tractor (a), and for the dumping of layers, aggregated with the MTZ-82.3 tractor (б): 1 — working position; 2 — transport position

 

Анализ схемы агрегатирования показал, что разрабатываемый плуг для создания микроповышений в виде гряд в конкретном конструктивном исполнении можно использовать в составе агрегата на базе тракторов и иных тяговых средств, в конструкции которых имеется навесное устройство большого угла подъема.

Менее энергоемкий трактор класса 1,4…2 тс, агрегатируемый с плугом для создания микроповышений в виде отваленных пластов, позволяет получить более компактный и менее воздействующий на опорную поверхность почвообрабатывающий агрегат, что имеет важное значение в условиях леса.

Определение необходимых энергетических характеристик МТА для разрабатываемых орудий было проведено на основе теоретического исследования. В комплекс параметров математической модели, описываемой уравнением динамики поступательного движения, вошли следующие характеристики [34, 35]:

F_тср — сила тяги тягового средства;

W — влажность почвы;

v — скорость движения МТА;

ρ — плотность почвы;

γ — угол трения почвы о сталь;

μ — липкость почвы.

Влажность почвы W выразили через плотность ρ, поскольку все перечисленные параметры взаимосвязаны. Исследование было выполнено на основе параметров подзолистой почвы (табл. 3). Значения влажности варьировались в пределах от 9 до 75 %, скорость МТА — от 2,88 до 4,2 км/ч.

 

Таблица 3

Параметры моделирования для подзолистой почвы

Modeling parameters for podzolic soil

Наименование параметра	Единица измерения	Числовое значение
Влажность почвы, W	%	9…10	30…48	50…90
Плотность почвы, ρ	г/см3	1,28	1,04	0,93
Скорость движения агрегата	км/ч	2,88	3,6	4,2
Время контакта при липкости 0,05 Н/см²	с	0,152	0,123	0,111
		0,190	0,153	0,138
		0,222	0,179	0,161
Коэффициент трения почвы о сталь, f	–	0,35	0,85	0,58

 

В качестве классификационного параметра принято использовать значение номинального тягового усилия (ГОСТ 27021–86), т. е. усилия, соответствующего максимальному тяговому КПД трактора, при котором можно достичь наиболее полного использования его тягово-энергетических свойств. Тяговые классы тракторов согласно ГОСТ 27021–86 и значение силы тяги приведены в табл. 4.

 

Таблица 4

Тяговые классы тракторов и их характеристика

Tractor traction classes and their characteristics

Номинальная тяговая сила (тяговый класс), тс	Минимальное значение силы тяги трактора Fт min, кН	Максимальное значение силы тяги трактора Fт max, кН	Среднее значение силы тяги трактора Fт ср, кН
1,4	12,6	18	15,3
2	18	27	22,5
3	27	36	31,5
4	36	45	40,5
5	45	54	49,5

 

Для определения тягового класса трактора использовался параметр, определяемый соотношением

$\delta =\frac{f\left(M+M_{т}\right)g}{F_{т ср}},$

где f — коэффициент сопротивления качению;

М — масса плуга, кг;

М_т — масса трактора, кг;

g — ускорение свободного падения, м/с²;

F_{т ср} — соответствует выбранному тяговому классу (см. табл. 4), Н.

Коэффициент δ, рассчитанный в процентах, показывает, как соотносятся необходимая сила тяги и номинальная тяговая сила трактора.

Рассчитаны также параметры модели для плуга, создающего линейные гряды (табл. 5), и для плуга, отваливающего пласты (табл. 6).

 

Таблица 5

Параметры для плуга, образующего линейные гряды

Parameters for a plough forming linear ridges

Наименование параметра	Единица измерения	Обозначение	Числовое значение
Масса трактора	кг	Мт	4000
Ускорение свободного падения	м/с2	g	9,86
Глубина пласта	мм	H	250
Ширина пласта	мм	L	350
Угол между отвалом и стенкой борозды	град	θ	35
Начальный угол подъема грунта	град	α	20
КПД мощности трактора	–	ηт	0,98
Коэффициент трения почвы о сталь	–	μ	0,58
Коэффициент сопротивления качению	–	f	0,05
Коэффициент эксплуатационной нагрузки	–	Kз	0,8
Максимальная масса срезаемого пласта	кг	ms	37,33983
Слой налипания частиц почвы	мм	Gн	2
Коэффициент динамической вязкости	–	χ	2∙106
Масса орудия	кг	М	1470

 

Таблица 6

Параметры для плуга, отваливающего пласты по краям борозды

Parameters for a plow turning of seams along the edges of a furrow

Наименование параметра	Единица измерения	Обозначение	Числовое значение
Масса трактора	кг	Мт	4000
Ускорение свободного падения	м/с2	g	9,86
Глубина пласта	мм	H	150
Ширина пласта	мм	L	700
Угол между отвалом и стенкой борозды	град	θ	35
Начальный угол подъема грунта	град	α	20
КПД мощности трактора	–	ηт	0,98
Коэффициент трения почвы о сталь	–	μ	0,58
Коэффициент сопротивления качению	–	f	0,05
Коэффициент эксплуатационной нагрузки	–	Kз	0,8
Максимальная масса срезаемого пласта	кг	ms	37,33983
Слой налипания частиц почвы	мм	Gн	2
Коэффициент динамической вязкости	–	χ	2∙106
Масса орудия	кг	М	615

 

В ходе теоретических исследований получены результаты поиска необходимого тягового класса трактора для агрегатирования с разрабатываемыми плугами при учете параметров почвы и скорости движения (рис. 7, 8).

 

Рис. 7. Результаты оптимизации для плуга, предназначенного для создания линейных гряд

Fig. 7. Optimization results for a plow for creating linear ridges

 

Рис. 8. Результаты оптимизации для плуга, отваливающего пласты

Fig. 8. Optimization results for a plow turning of seams

 

Как видно из рис. 7 для плуга, образующего микроповышения в виде гряд, требуется тяговое средство 3 класса тяги и выше, что объясняется достаточно большой массой плуга и изменением влажности почвы. С увеличением влажности почвы с 9 до 40 % сначала наблюдается увеличение тягового сопротивления, а затем его уменьшение при влажности почвы, равной 75 %, при неизменных значениях параметров плуга. Это связанно с уменьшением связности почвенных частиц и созданием излишней влагой подложки между почвой и рабочей поверхностью корпуса, что, в совокупности, уменьшает сопротивление орудия. При этом скорость агрегатируемого трактора не влияет на величину сопротивления.

Для плуга, предназначенного для отваливания пластов (рис. 8), применим трактор 1,4 тягового класса при небольшой влажности почвы (от 9 до 40 %) и 3 тягового класса при высоких значениях влажности. При этом скорость МТА также не влияет на тяговое сопротивление.

Таким образом, в качестве одного из возможных критериев оценки эффективности рабочего процесса плугов можно использовать массу перемещаемой почвы [14], а по ней рассчитать необходимую силу тяги, а затем по параметру δ (%) определить минимальный тяговый класс трактора. В качестве основных параметров эффективности целесообразно выбрать максимальную величину микроповышения или максимальную разность высоты микроповышения по периметру формируемой полосы. Еще одним параметром для сравнения лесных плугов с различными конструкционными параметрами может стать интервал перемещения частиц почвы.

Выводы

Определение массоинерционных характеристик проектируемых орудий позволило установить, что общая масса плугов составляет 1470 кг и 622 кг соответственно и оценить распределение массы орудий согласно их конструктивному исполнению.

Выполнена оценка схемы агрегатирования орудий с базовым трактором. По итогам теоретических исследований на основе математического моделирования установлено, что числитель в соотношении практически не зависит от скорости движения трактора. При этом величина коэффициента δ соотношения необходимой силы тяги к номинальной тяговой силе трактора существенно меняется с изменением влажности почвы и тягового класса трактора в достаточно широком диапазоне. При влажности почвы W в диапазоне от 9 до 40 % происходит увеличение коэффициента δ с 20 до 350 % для плуга, образующего линейные гряды, и от 4 до 40 % для плуга, создающего микроповышение отваленными пластами, что говорит о возрастании силы сопротивления почвы при ее обработке.

Разработан и применен принцип сравнительной оценки параметров проектируемых плугов, характеристик почвы и величины тяги тракторов для нахождения оптимального состава МТА с учетом выбранной технологии обработки почвы при лесовосстановлении. С учетом характеристик почвы и параметров проектируемых орудий найдено оптимальное значение силы тяги трактора в составе МТА. В результате для плуга, создающего линейные гряды (величина силы сопротивления равна 33 000 Н), рекомендуется использовать трактор 3 класса тяги, а для плуга, отваливающего пласты (величина силы сопротивления равна 14 000 Н) — трактор 1,4 класса тяги.

Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда № 25-19-00876, https://rscf.ru/project/25-19-00876/.

About the authors

Denis Yu. Druchinin

Voronezh State University of Forestry and Technologies named after G.F. Morozov

Author for correspondence.
Email: druchinin.denis@rambler.ru

Cand. Sci. (Tech.), Associate Professor, Head of the Department of Forestry Mechanization and Machine Design

Russian Federation, 8, Timiryazev st., 394087, Voronezh

Maksim A. Popov

Voronezh State University of Forestry and Technologies named after G.F. Morozov

Email: popovmaxim98@mail.ru

Cand. Sci. (Tech.), Lecturer

Russian Federation, 8, Timiryazev st., 394087, Voronezh

Mikhail N. Lysych

Voronezh State University of Forestry and Technologies named after G.F. Morozov

Email: miklynea@yandex.ru

Cand. Sci. (Tech.), Associate Professor

Russian Federation, 8, Timiryazev st., 394087, Voronezh

Vadim R. Fatkhulin

Voronezh State University of Forestry and Technologies named after G.F. Morozov

Email: injener25776@mail.ru

pg.

Russian Federation, 8, Timiryazev st., 394087, Voronezh

Maksim A. Gnusov

Voronezh State University of Forestry and Technologies named after G.F. Morozov

Email: mgnusov@yandex.ru

Dr. Sci. (Tech.)

Russian Federation, 8, Timiryazev st., 394087, Voronezh

References

Supplementary files