сотрудник с 01.01.1996 по настоящее время
Военно-воздушная академия имени профессора Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина (Кафедра общепрофессиональных дисциплин, доцент)
сотрудник с 01.01.2012 по настоящее время
Воронеж, Воронежская область, Россия
Выполнение работ по сбору и сгребанию порубочных остатков на территориях линейных инфраструктурных объектов нередко осуществляется специализированным оборудованием, устанавливаемым на тракторах или многофункциональных машинах и называемым «Лесные грабли», при этом указанное оборудование может быть классифицировано по целому ряду признаков. С учётом выявленного автором значительного влияния субъективной составляющей, оказывающей воздействие на непосредственное отнесение классифицируемых лесных граблей к тому или иному элементу соответствующего классификационного ряда, целью исследования являлась разработка математической модели классифицирования технических средств для сбора и сгребания порубочных остатков. Автором были обоснованы начальные граничные условия и представлена математическая модель образования визуализированного объёма распределения основных конструктивных параметров лесных граблей, предложены значения критерия густоты распределения зубьев средств механизации удаления порубочных остатков, а также критерия удельной ширины данных технических средств, приведены примеры классификационного распределения моделей лесных граблей по указанным критериям, изложены допущения и пояснения к рассмотренной математической модели, позволяющей выполнить объективную классификацию средств механизации сбора и сгребания порубочных остатков, сформулированы выводы по результатам проведённого авторами исследования.
порубочные остатки, лесные грабли, классификация, моделирование, критерии, допущения
Введение
При выполнении работ по очистке территорий от нежелательной поросли нередко в составе технологического процесса предусмотрена технологическая операция сбора и сгребания порубочных остатков [1, 3]. В случае выполнения указанной операции механическим способом [2] сбор и/или сгребание срезанной/вырубленной поросли осуществляется специализированным оборудованием, устанавливаемым на тракторах или многофункциональных машинах (рис. 1).
Указанное оборудование (с предложенным нами названием к применению в документации по организации работ, связанных с очисткой инфраструктурных территорий от нежелательной древесно-кустарниковой растительности, а именно – «лесные грабли», обоснование которого не входит в цели и задачи данного исследования) может быть классифицировано по целому ряду признаков, к которым относятся, например, назначение, вид и способ агрегатирования с базовым транспортным средством, а также ряд конструктивных особенностей, среди которых, в свою очередь, можно выделить классификационные признаки «Ширина захвата лесных граблей» и «Густота лесных граблей» (рис. 2).
Отметим, что классификационные ряды, соответствующие указанным классификационным признакам, подвержены значительному влиянию субъективной составляющей, оказывающей воздействие на непосредственное отнесение классифицируемых лесных граблей к тому или иному элементу соответствующего классификационного ряда.
Рисунок 1. Сбор и сгребание порубочных остатков
а) грабли лесные СВЛ-2,1 + трактор МТЗ-1523В;
б) грабли лесные Digga Stick Rake + многофункциональная машина Cat
(Источник – открытые данные производителей оборудования)
Figure 1. Collection and raking of felling residues
a) forest rake SVL-2,1 + tractor MTZ-1523V; b) forestry rake Digga Stick Rake + multifunctional machine Cat
(Source – open data from equipment manufacturers)
Рисунок 2. Компонент классификации лесных граблей
(Источник – собственная разработка авторов)
Figure 2. Forest rake classification component
(Source – authors' own development)
Рисунок 3. Примеры классифицируемых моделей лесных граблей
(Источник – открытые данные производителей оборудования)
Figure 3. Examples of classified forest rake models
(Source – open data from equipment manufacturers)
Подобным же образом более редкими могут показаться грабли Clearing Rake Woodcracker G850 (рис. 3, в; = 850 мм,
= 5,
= 32 мм) по сравнению с ЕМ 2200 G850 (рис. 3, г; Беларусь;
= 2300 мм,
= 5,
= 75 мм) ввиду одинакового количества зубьев, расположенных на меньшей ширине захвата (при выявленной нами фактически также одинаковой густоте указанных технических средств). Аналогично при сравнении лесных граблей с практически одинаковой шириной их захвата, например, вышеприведённых Clearing Rake Woodcracker G850 и Cat Excavator Rakes B-Linkage (с параметрами
= 840 мм,
= 3,
= 57 мм) может сложиться ложное впечатление о необходимости их отнесения к одному классификационному ряду, в то время как лишь комплексное рассмотрение параметров данных граблей позволило нам классифицировать их более точно.
Выполненный нами информационный поиск и анализ работ, посвящённых вопросам механизации удаления нежелательной поросли [4, 8] с территорий различных инфраструктурных объектов [7, 10], позволил выявить, что в настоящее время как отечественными [5, 9, 12], так и зарубежными исследователями [11] не уделяется должного внимания вопросам повышения эффективности и качества работы технических средств сбора и сгребания порубочных остатков, в том числе, вопросам их классифицирования.
Цель исследования
С учётом вышеизложенного, целью исследования является разработка математической модели классифицирования технических средств для сбора и сгребания порубочных остатков.
Для реализации сформулированной цели исследований нам необходимо было решить следующие задачи:
1. Выявить граничные критерии основных конструктивных параметров рассматриваемых технических средств.
2. Установить основную систему уравнений, позволяющих выполнить объективную классификацию технических средств для сбора и сгребания порубочных остатков.
Материалы и методы исследований
Объектом исследования являлся процесс функционирования системы надлежащего содержания ряда инфраструктурных объектов (полос отвода железных и автомобильных дорог, газопроводов, нефтепроводов, высоковольтных линий электропередач) и иных территорий.
Предметом исследования являлись технологические процессы удаления нежелательной древесно-кустарниковой растительности с территорий ряда инфраструктурных объектов и средства механизации, применяемые при выполнении соответствующих технологических операций.
Материалами исследований являлась актуальная на момент выполнения работы научно-техническая информация, в частности каталоги технических средств сбора и сгребания нежелательной растительности, размещённые на официальных сайтах производителей указанной техники.
Для решения поставленных задач были применены методы математического моделирования и оптимизации (в частности – метод дихотомии, при выявлении экстремума критической ширины лесных граблей).
Результаты исследований и их обсуждение
Для корректного описания математической модели нами были введены следующие начальные граничные критерии моделирования распределения основных конструктивных параметров лесных граблей:
(1)
В качестве целевой функции моделирования был принят объём распределения основных конструктивных параметров лесных граблей .
Выполним пояснения к вышеуказанным величинам граничных критериев. Принятое нами количество зубьев обусловлено тем, что по современным представлениям сельско- и/или лесохозяйственные грабли, выполняющие очистку поверхности механическим способом, являются орудием, снабжённым несколькими выступающими рабочими элементами (зубьями), форма, размеры и расстояния между которыми определяется назначением и областью применения данных граблей. При технологической операции сбора (сгребания) [6] рабочие элементы граблей, взаимодействуя с удаляемыми объектами, увлекают их за собой в направлении, заданном движением базовой машины (или отдельного привода данных граблей). При этом уменьшение количества зубьев до одного (
) вызывает затруднения в части увлечения растительности в требуемом направлении, переводя соответствующее оборудование в разряд «рыхлители», при этом нулевое количество зубьев (
) характерно для отвалов и ковшей.
Принятый нами в исследование диапазон ширины захвата лесных граблей мм был обусловлен следующим. Выполненным нами анализом основных конструктивных параметров современных отечественных и зарубежных моделей лесных граблей было выявлено фактическое отсутствие рассматриваемых технических средств с шириной захвата
мм и одновременно с этим крайне низкую долю (3,08%) лесных граблей с диапазоном размеров
мм, например, Yantai Jiangtu JT04 (Китай,
мм,
), Kenco KCER24 (США,
мм,
), ЛГ-82/2 (Россия,
мм,
) и т.д. С учётом этого, нами было принято решение установить первоначальную величину
мм. Аналогично нами была выявлена крайне низкая доля (3,71%) лесных граблей с диапазоном размеров
мм, например, Ransome Semi-Low Profile Dozer Rakes (США,
мм,
), Wallace Industrial Tractor Rake и Kenco RK02-144 (США, с параметрами
мм,
). С учётом полученного незначительного количества моделей экстра-широких граблей (> 4000 мм; около 1,46% от общего количества проанализированных моделей), нами было принято решение установить первоначальную величину
мм. Отдельно отметим, что ввиду выявленной нами в процессе проведения исследований выраженной точки экстремума для верхней условной границы зоны средне-широких граблей
= 4224,892 мм при
= 61,112 мм (рис. 4), в разработанной математической модели классифицирования лесных граблей в качестве граничного значения был принят рассмотренный ниже параметр
= 4224,892 мм.
В части принятого нами в исследование диапазона ширины одного зуба лесных граблей мм отметим следующее. Анализ выборки данных позволил выявить фактическое отсутствие лесных граблей с шириной одного зуба
мм и одновременно с этим низкую долю (8,07%) лесных граблей с диапазоном ширины одного зуба
мм, например, NM Mini Root Rake (Канада,
мм,
,
мм), вышеупомянутые ЛГ-82/2 (
мм), Digga Stick Rake (Австралия,
мм,
,
мм) и т.д. С учётом вышеизложенного, а также приняв во внимание, что в англоязычных странах (США, Великобритания, Австралия, ЮАР и т.д.) распространена дюймовая система измерений, нами было принято решение установить величину
мм (1/2 дюйма: 25,4/2 = 12,7 мм). Аналогично нами была выявлена крайне низкая доля (4,32%) лесных граблей с диапазоном ширины одного зуба
мм, например, ЕМ 2200 (Беларусь,
мм,
,
мм), TRK Severe Duty Rake (Канада,
мм,
,
мм) и т.д. При этом лишь для одной модели граблей нами была выявлена ширина одного зуба с величиной
, а именно, для граблей TRK Severe Duty Scoop Rake (Канада) ширина
мм. С учётом вышеизложенного, а также приняв во внимание рассуждения о дюймовой системе измерений, нами было принято решение установить величину
мм (1 дюйм: 25,4∙4 = 101,6 мм).
В целом математическая модель образования визуализированного объёма распределения основных конструктивных параметров лесных граблей была сформирована нами в следующем виде:
где – критерий удельной ширины лесных граблей (рис. 4);
– критерий густоты распределения зубьев (табл. 1);
– критерий ширины зубьев;
– множество чисел;
– множество целых чисел:
;
– количество зубьев лесных граблей:
;
– ширина захвата лесных граблей, мм:
;
– ширина одного зуба лесных граблей, мм:
;
– расстояние между двумя соседними зубьями лесных граблей, мм;
– нижняя (минимальная) граница распределения экстра-широких лесных граблей, мм (кривая 1, рис. 4);
– граница разделения зон широких и средне-широких лесных граблей, мм (кривая 8, рис. 4);
– корректированная граница разделения зон широких и средне-широких лесных граблей, мм (кривая 2, рис. 4);
– граница разделения зон средне-широких и нормальных по ширине лесных граблей, мм (кривая 7, рис. 4);
– корректированная граница разделения зон средне-широких и нормальных по ширине лесных граблей, мм (кривая 3, рис. 4);
– граница разделения зон нормальных и узких по ширине лесных граблей, мм (кривая 4, рис. 4);
– граница разделения зон узких и экстра-узких лесных граблей, мм (кривая 5, рис. 4);
– критическая (минимальная) ширина захвата лесных граблей, мм (кривая 6, рис. 4).
Значения критерия густоты распределения зубьев лесных граблей приведены в табл. 1.
Укажем следующие допущения и пояснения к математической модели классифицирования технических средств для сбора и сгребания порубочных остатков:
1. Минимальная и максимальная ширина зубьев лесных граблей на практике выходит за рамки указанного нами диапазона и определяется конструктивно-технологическими, экономическими и целеполагающими ограничениями, накладываемыми производителем соответствующих технических средств и/или их потребителем (эксплуатирующей организацией).
Таблица 1
Критерий густоты распределения зубьев
Table 1
Criterion for the density of distribution teeth
|
Критерий Criterion |
| |
Характеристика лесных граблей Characteristics of the forest rake |
|
0 … 0,04 |
экстра-густые | extra-bushy |
|
|
0,04 … 0,09 |
густые | bushy |
|
|
0,09 … 0,25 |
нормальные | normal |
|
|
0,25 … 0,5 |
редкие | rare |
|
|
0,5 … 1,0 |
экстра-редкие | extra-rare |
|
Источник: собственные вычисления авторов
Source: own calculations
2. Верхняя (максимальная) граница распределения экстра-широких лесных граблей является теоретически бесконечной, при этом её практические ограничения аналогичны ограничениям, указанным в п. 1 данных допущений (пояснений).
3. Расстояние между зубьями лесных граблей принимается одинаковым (в пределах установленных производителем допустимых отклонений).
4. Размеры усиливающих конструктивных элементов, приводящих к увеличению ширины зубьев на ограниченном участке их длины, не учитывались.
5. Достижение граничного критерия ширины зубьев лесных граблей = 0 соответствует переходу лесных грабель в категорию «Отвалы, ковши», а
= 1 – в категорию «Лесные щётки».
В соответствии с разработанной нами математической моделью на рис. 4 и 5 приведены примеры классификационного распределения лесных граблей по критерию удельной ширины граблей и критерию густоты зубьев
:
Рисунок 4. Классификационное распределение лесных граблей по критерию удельной ширины граблей
(Источник – собственная разработка авторов)
Figure 4 Classification distribution of forest rakes according to the criterion of the specific width of the rake (Source - authors' own development)
Рисунок 5. Классификационное распределение моделей лесных граблей по критерию густоты зубьев
(Источник – собственная разработка авторов)
Figure 5. Classification distribution of forest rake models according to the criterion of tooth density
(Source - authors' own development)
Выводы и рекомендации
1. При выполнении классификации лесных граблей субъективная составляющая оказывает значительное влияние на результат отнесения рассматриваемых технических средств к тому или иному элементу соответствующего классификационного ряда, что обуславливает необходимость осуществления математического моделирования распределения ряда признаков лесных граблей.
2. Преимущественное распределение основных конструктивных параметров лесных граблей находится в диапазонах: ширина захвата 500…4000 мм, ширина одного зуба 12…100 мм, количество зубьев .
3. Достижение граничного критерия ширины зубьев лесных граблей = 0 соответствует переходу лесных грабель в категорию «Отвалы, ковши», а
= 1 – в категорию «Лесные щётки». Более 50% лесных грабель относятся к нормальным по густоте распределения зубьев, фактически отсутствуют экстра-редкие лесные грабли с количеством зубьев
.
4. Для корректного описания применяемых в ряде технологических процессов лесных граблей рекомендуем организациям, занимающимся удалением нежелательной поросли с ряда инфраструктурных объектов, применение критериев густоты распределения зубьев и удельной ширины граблей.
1. Бартенев И. М., Драпалюк М. В., Казаков В. И. Совершенствование технологий и средств механизации лесовосстановления: монография. Москва : ФЛИНТА-Наука, 2013. 208 с. ISBN 978-5-9765-1746-2.
2. Григорьев И. В., Жукова А. И., Григорьева О. И., Иванов А. В. Средощадящие технологии разработки лесосек в условиях Северо-Западного региона Российской Федерации: монография. Санкт-Петербург : СПбГЛТУ, 2008. 176 с. ISBN 978-5-9239-0118-4.
3. Запруднов В. И., Карпачев С. П., Быковский М. А. Технологии и технические средства процессов лесосечных работ. Лесной вестник. Forestry Bulletin. 2017;21(1): 108-117. DOI:https://doi.org/10.18698/2542-1468-2017-1-108-117.
4. Михайлов К. Л., Гущин В. А., Тараканов А. М. Организация сбора и переработки лесосечных отходов и дров на лесосеке. Известия высших учебных заведений. Лесной журнал. 2016;6(354): 98-109. DOI:https://doi.org/10.17238/issn0536-1036.2016.6.98.
5. Мясищев Д. Г. Потенциал малой механизации в лесохозяйственных технологических процессах. Известия высших учебных заведений. Лесной журнал. 2018;1(361): 70-79. DOI:https://doi.org/10.17238/issn0536-1036.2018.1.70.
6. Платонов А. А. Исследование и систематизация существующих технологических процессов удаления нежелательной растительности. Системы. Методы. Технологии. 2020;3(47): 63-73. DOI:https://doi.org/10.18324/2077-5415-2020-3-63-73.
7. Eck R. W., McGee H.W. Vegetation Control for Safety. Washington: U.S. Departament of Transportation, 2008.
8. Ivashnev M. V., Vasiliev A. S., Shegelman I. R. Synthesis methodology of patentable technical solutions: a case of equipment for removing tree and shrubbery vegetation. Astra Salvensis. 2018;6: 531-540.
9. Karpachev S. P., Zaprudnov V. I., Bykovskiy M. A., Karpacheva I. P. Simulation studies on line intersect sampling of residues left after cut-to-length logging. Croatian Journal of Forest Engineering. 2020; 41(1): 95-107. DOI:https://doi.org/10.5552/crojfe.2020.531.
10. Markowski K. Road safety aspects in the management of road maintenance. MATEC Web of Conferences. 2017;122: 02009. DOI:https://doi.org/10.1051/matecconf/20171220.
11. Schroth G. A Review of belowground interactions in agroforestry, focussing on mechanisms and management options. Agroforestry Systems. 1998;43(1-3): 5-34. DOI:https://doi.org/10.1023/A:1026443018920.
12. Shegelman I. R., Budnik P. V., Baklagin V. N. Simula-tion modeling of truck load of skidding tractors with a grapple for chokerless skidding. Croatian Journal of Forest Engineering. 2019;40(2): 297-310. DOI:https://doi.org/10.5552/crojfe.2019.567.
