Введение
Научные знания о механизмах взаимодействия движителей машин с различными типами опорных поверхностей являются ключевым элементом научной базы, необходимой как для проектирования технологических процессов, так и для создания конструктивных элементов лесных машин. Эти сведения оказываются незаменимыми при разработке современных, экологически безопасных и высокоэффективных технологий, способных минимизировать воздействие на почвенный покров в ходе лесозаготовительных работ. Более того, подобные знания критично важны для формирования усовершенствованных образцов колесной и гусеничной техники, адаптированной к эксплуатации в целой гамме сложных и экстремальных природных условий. К числу таких условий относятся лесные почвогрунты, демонстрирующие значительную подверженность деформациям под движителями, а также особо сложные среды, включающие избыточно увлажнённые или заболоченные территории, глубокий снежный покров, рыхлые и нестабильные грунты.
Актуальность исследований в этой области стремительно возрастает в свете современных стратегических приоритетов, направленных на замещение импортной лесной техники отечественными аналогами. Реализация данной задачи требует разработки высокотехнологичных и конкурентоспособных решений, способных не только соответствовать мировым стандартам, но и удовлетворять специфическим требованиям российской лесной отрасли. Разработка таких машин невозможна без глубокого понимания процессов распределения давления движителей на грунт, оценки сцепных характеристик и
анализа механики деформации почвы в условиях значительных нагрузок [1,2].
В отечественной науке изучение вопросов взаимодействия движителей лесных, сельскохозяйственных и других машин с различными поверхностями, включая почвы и грунты, ведется на протяжении десятилетий специалистами в разных отраслях. Исследования охватывают задачи, связанные с сельским и лесным хозяйством, строительной индустрией, эксплуатацией специальной военной техники. Сформировалась научная основа, включающая теорию движения автомобильного транспорта по бездорожью.
Теоретические положения этой науки имеют межотраслевое значение: они успешно применяются для решения проблем лесозаготовительного производства, где взаимодействие движителя с почвенной средой является ключевым фактором.
Базовые положения этой научной теории опираются на основные законы механики: механику грунтов, механику контактного взаимодействия и механику деформируемого тела. Эти разделы механики лежат в основе понимания процессов передачи тяговых усилий через движитель на почвогрунт, а также управления параметрами проходимости транспортных средств по деформируемым средам [3]. Благодаря этим теоретическим разработкам оказалось возможным прогнозировать поведение машин в условиях сложного рельефа и нестабильных почв, разрабатывать конструктивные решения, учитывающие особенности взаимодействия подвижных систем с почвенной средой, и апробировать новые технологические подходы, направленные на минимизацию разрушающего воздействия на почвенный покров.
Аналогичные исследования ведутся и за рубежом, где сформировалась отдельная научная область исследований, известная как "террамеханика" (terramechanics). Этот термин обозначает применение механики грунтов для анализа процессов взаимодействия движителей машин с различными типами опорных поверхностей. Основной акцент террамеханики сделан на изучении и моделировании взаимодействия движителей колесных и гусеничных машин с почвами, грунтами и другими деформируемыми поверхностями. Этот научный подход активно используется в разнообразных отраслях: от сельского хозяйства и строительства до проектирования внедорожной и военной техники. Проблемное поле исследований террамеханики охватывает такие критически важные вопросы, как сцепные свойства движителей, величина и распределение давления на грунт, энергоэффективность движения по мягким и наклонным поверхностям.
По сравнению с отечественными исследованиями, международные работы отличаются акцентом на цифровую обработку данных, моделирование сложных грунтовых условий и применение машинного обучения для создания предсказательных моделей проходимости техники. Таким образом, научные исследования и теоретические разработки, связанные с взаимодействием движителей лесных машин с опорными поверхностями, формируют междисциплинарное научное поле и играют ключевую роль в науке и практике проектирования современной техники. Эти исследования также обеспечивают инструменты и подходы для повышения экологичности и эффективности технологий в лесозаготовительной отрасли. Сравнение отечественного и зарубежного опыта показывает, что они взаимно дополняют друг друга: отечественные подходы сильны в фундаментальной теории, в то время как международные исследования акцентируются на разработке адаптивных технологий для внедрения в сложные эксплуатационные условия
Обоснование параметров и режимов работы движителей лесных машин является классической научной задачей лесоинженерного дела. Ранее были представлены положения, прогнозирующие показатели колееобразования, коэффициенты сопротивления движению, сцепления и тяги для колесных и гусеничных движителей лесной техники, работающей в условиях лесных почвогрунтов различных категорий прочности [4]. Положения получили развитие и активно используются исследователями в рамках научной школы «Инновационные разработки в области лесозаготовительной промышленности и лесного хозяйства» Арктического государственного агротехнологического университета. В основе разработанных математических моделей лежат уравнения механики грунтов [5], связывающие показатели деформирования почвогрунтов, их механические свойства и характеристики воздействия движителей лесных машин на опорную поверхность, такие как вес либо давление, форма пятна контакта, время воздействия и проч. Результативно выполнена реализация таких моделей [4]: получены практические оценки проходимости и экологичности лесной техники как при прямолинейном движении, так и при движении с поворотом. Для реализации моделей использован вычислительный эксперимент с последующей верификацией расчетных данных путем сопоставления с полевыми и лабораторными опытными данными, а также со сведениями независимых источников. Принципиально, математические модели позволяют учесть направление вектора приложения нагрузки к опорной поверхности и ее уклон [5], что необходимо при изучении движения лесных машин по крутым склонам. Получены результаты оценки тягово-сцепных свойств и повреждаемости почвогрунтов склонов для гусеничных движителей [5]. Ведутся исследования в области моделирования свойств и обоснования допустимых показателей воздействия лесной техники на оттаивающие грунты склонов в арктических и субарктических условиях [6]. Изложена общая постановка задачи и получены частные оценки показателей колееобразования и проходимости колесных лесных машин, работающих на склонах [7]. Тем не менее, проблематика обоснования параметров и режимов работы движителей колесных лесных машин, предназначенных для условий сильно пересеченной местности, изучена не в полной мере. Не представлены результаты, позволяющие обосновать допустимый вес либо давление колесного движителя по пятну контакта при варьировании уклона опорной поверхности в диапазоне, соответствующем природно-производственным условиям нашей страны. Отсутствуют результаты, позволяющие в перспективе оценить и обосновать мощность двигателя лесных машин, работающих на склонах. Важно отметить, что изучение движения машин на пересеченной местности актуально и для зарубежных исследователей, что отмечается в статьях в ведущих отечественных и зарубежных научных журналах. Проблематика считается сложной с точки зрения теоретической проработки, применяются современные методы математического и численного моделирования, такие как метод конечных элементов [7-10], аппарат теории клеточных автоматов [8]. Результаты представляют интерес не только для лесоинженерной области, но и для природопользования [15] и механики грунтов в целом [10; 11-14, 16]. Для получения дальнейших практических результатов требуются отдельные исследования, чему и посвящена настоящая статья.
