Многофакторные полевые исследования рабочего процесса лесохозяйственной грунтометательной машины

Лесной массив представляет собой естественный восстанавливаемый источник ресурсов. Перед обществом поставлена важная задача — сохранение лесов сегодня, чтобы они были завтра. Леса выполняют функции по защите территорий, обогащению кислородом, представляют собой места обитания животных, обеспечивают жизнедеятельность человека и многое другое. Потребность в здоровых лесах обуславливает необходимость их охраны. Существует большое количество факторов, которые подвергают уничтожению лесные массивы, и одним из таких является неконтролируемый лесной пожар [1].

Лесной низовой пожар имеет по своей структуре неконтролируемое распространение огня, несущее разрушительный характер для живых организмов. Такой вид стихийного бедствия наносит непоправимый ущерб животным, вынужденным покидать обжитые места обитания. На сегодняшний день опубликовано большое количество научных работ, посвящённых причинам возникновения лесных пожаров. И основной из этих причин является деятельность человека, связанная с несоблюдением норм и установленных правил. Реже отмечаются другие причины, например, возгорание от молний или оптические возгорания от стеклянных изделий; есть случаи, когда пожары происходили вследствие химической реакции при гниении растительных остатков и др. Наиболее часто распространяется по лесному массиву именно низовой пожар. В качестве основной задачи при тушении пожара является прекращение выделения тепловой энергии на кромке и на материалах, уже подвергшихся горению [2].

Существует высокая потребность в разработке технико-технологических ресурсов по тематике пожаротушения и в создании высокоэффективных машин для борьбы со степными и лесными низовыми пожарами. Потребность в разработке новых инновационных средств и совершенствовании существующих остаётся значимой задачей, стоящей перед мировым научным сообществом. В работе [3] обозначена оценка технического потенциала геопозиционирования, наблюдения при помощи специализированных ресурсов, а также выполнения расчётов на надёжность изолирования лесных пожаров на территориях различного назначения. Данные, отражённые в статистике по степным (сельскохозяйственным) и лесным массивам в РФ, показывают, что за последние 20 лет фиксируется повышение уровня пожарной опасности. При анализе данных выяснилось: в научном сообществе преобладает мнение, что определяющее значение для тушения геоэкологических видов пожаров имеют время принятия мер, стремительность распространения огня по территории и иные факторы.

Проанализировав научные работы по состоянию востребованности технических средств для ликвидации лесных пожаров на сельскохозяйственных землях, в молодняках на землях лесного фонда, можно сделать вывод, что потребность в инновационных средствах весьма велика и это обусловлено, в первую очередь, частым возникновением стихийных бедствий [4].

К способам «прямого» тушения лесного пожара относятся заливка водой и водными растворами, захлёстывание кромки огня, сбивание открытого огня при помощи направленной струи воздуха, тушение двигающейся кромки лесного пожара при помощи грунта, снятие верхнего горючего слоя земли. Используются также искусственные осадки при помощи ресурсов авиалесоохраны. К способам предупреждения возникновения лесных пожаров относятся создание заградительных полос, опорных полос, закладка минерализованных полос. Ещё одним способом является «комбинированный», который включает интеграцию двух предыдущих способов. Проанализировав доступную информацию, можно выделить научные работы В. В. Матренинского, который в своих трудах за 1937 год определил, что наиболее часто лесной пожар начинает своё движение по нижней части леса (лесной подстилке) [5].

Использование грунта для процесса остановки и тушения лесного или степного пожара относится к основным способам борьбы со стихией. Выполняется он по следующей технологии. Сотрудник противопожарной бригады вручную лопатой снимает часть почвенного покрова, в особенности, где есть гумусовые отложения, и создаёт углубления через 3—5 м друг от друга вдоль фронта горения, а выбираемый при этом грунт раскидывает веерообразным движением по кромке движущегося низового пламени. Следующая операция — присыпание выжженного участка земли грунтом толщиной 5—6 см при ширине полосы не менее 0,5 м. Необходимо при этом убирать ветки деревьев, старые пни и иной вид горящего материала. Скорость выполнения таких технологических операций ручным способом невысока, следовательно, и потери, которые понесёт лесной массив, будут значительными. Также сохраняется высокая вероятность, что в случае сбивания открытого огня может происходить беспламенное горение или тление, которое в последующем может спровоцировать повторное возгорание. В связи с этим требуется дополнительно создавать минерализованную полосу шириной от 30 до 40 см [6].

Научными изысканиями, связанными с процедурой ликвидации пожарной стихии, занимаются ведущие российские научные коллективы. В одних работах основной упор сделан на тактические приёмы, а также технологии, применяемые при ликвидации и предупреждении лесных пожаров [7—9], в других научных публикациях поднимаются проблемы аргументации организации, методов и средств тушения лесных пожаров [10—16], приводится анализ инновационной составляющей оснащения противопожарной техникой [17—19], отмечаются организационные формы взаимодействия различных структур и организаций [20]. Анализ прокурорского наблюдения можно отследить по научным работам [21], а также с точки зрения экономики [22], [23].

За 2023 г. объём лесных пожаров в Российской Федерации составил около 4,3 млн га, этот показатель выше предыдущего года почти на треть: по официальным данным, в 2022 г. было уничтожено 3,3 млн га лесных массивов. Наибольшее количество лесных пожаров было зафиксировано в Республике Саха (Якутия), Хабаровском крае, Магаданской, Амурской и Свердловской областях, где в сумме показатель составил около 80 %. При более детальном рассмотрении можно отметить, что в Республике Саха (Якутия) выгорело 1,5 млн га лесных массивов, в Хабаровском крае — около 0,9 млн га. Официальные данные показывают, что в среднем за пять лет лесным пожаром было пройдено более 7,8 млн га [24], [25].

Устойчивость природных ресурсов и экосистем имеет глобальное значение, поскольку они важны для поддержания биоразнообразия и экологического баланса на планете. Для национальной безопасности необходимо проводить комплексные мероприятия по сохранению природных ресурсов и восстановлению экосистем.

В качестве технических ресурсов, обеспечивающих выполнение нескольких операций, возможно выделить лесохозяйственную грунтометательную технику. Лесохозяйственная грунтометательная техника показывает хорошие результаты на лёгких песчаных почвах за счёт механизации процесса порционного перемещения грунта на кромку лесного низового пожара (рисунок 1). Таким образом достигается процесс сбивания открытого пламени. Объёмная масса грунта, насыпаемая сверху на поверхность, по которой только что прошёл огонь, позволяет предупредить повторное возгорание и распределить накопленную тепловую энергию в различных направлениях, при этом охлаждая эту поверхность. А создаваемая на пути пожара минерализованная полоса делает практически невозможным (равное 99 %) продвижение кромки огня в глубь лесных массивов.

б

а

Рисунок 1. Машина для борьбы с лесными низовыми пожарами почвогрунтом [26]

Figure 1. Machine for fighting forest ground fires with soil [26]

Разработанная лесохозяйственная грунтометательная машина решает задачу, заключающуюся в повышении эффективности выполняемых операций, которые направлены на сохранение и защиту лесных массивов от действия неконтролируемого огня. Рассматривая конструктивную схему разработанной техники, следует обратить внимание, что машина состоит из нескольких частей: дисковых рабочих органов, фрезы-метателя и направляющего кожуха. Каждая часть имеет свои особенности: к примеру, сферические диски смонтированы на телескопических стойках, которые позволяют изменять величину хода и углы установки рабочих органов; фреза-метатель выполнена из диска, на который прикреплён центральный фланец, к нему крепятся сменные лопатки, зачерпывающие порции грунта из созданного вала при помощи дисковых рабочих органов, работающих в свал.

2.    Материалы и методы

Экспериментальные изыскания относятся к одному из значимых этапов в процессе разработки техники, в т. ч. и лесохозяйственных грунтометательных машин. Методика факторного планирования экспериментальных исследований даёт возможность получить регрессионные модели с высокой адекватностью, которые позволят описать рабочие процессы лесохозяйственной грунтометательной машины. Полученные данные позволят выполнить оптимизацию параметров рабочих органов машины и существенно сократить временн ы е и экономические затраты на разработку техники с улучшенными показателями рабочего процесса.

Задачей по проведению экспериментального исследования являлось изучение влияния параметров лесохозяйственной грунтометательной машины на показатели её работы, с последующей оптимизацией рабочих параметров.

Многофакторный корреляционно-регрессионный анализ позволяет установить воздействие каждого из выбранных в модели факторов на исследуемый параметр, а также с выбранным уровнем точности отыскать теоретический результирующий показатель, при этом потенциально возможно любое смешение показателей. Указанный способ можно реализовать в разных областях науки и техники [27].

На сегодняшний день значительный интерес по направлению автоматизации информационных процессов наблюдается в повышении эффективности информационного взаимодействия, а в данном случае получаемые данные обрабатываются при помощи корреляционно-регрессионного анализа [28—30].

3.    Результаты

На основе предварительных аналитических исследований был проведён полевой разведывательный эксперимент [31—34], в котором изучалось влияние параметров лесохозяйственной грунтометательной машины (см. рисунок 1) [35—37] на четыре выходных показателя эффективности процесса тушения очага горения. Экспериментальные изыскания были выполнены на территории УОЛ «ВГЛТУ», Кожевенный кордон, в весенне-летний период с температурой окружающей среды, сопутствующей лесному пожару, но без достаточной влажности горючих материалов в окружающей среде.

В процессе полевых экспериментальных исследований были определены параметры лесохозяйственной грунтометательной машины, которые в дальнейшем были обозначены как факторы, наиболее сильно влияющие на качество процесса тушения очага горения лесных материалов: Х 1 — угол атаки сферических дисков (α), град.; Х 2 — угол установки сферических дисков в вертикальной плоскости (β), град.; Х 3 — расстояние поперечного смещения дисковых рабочих органов (r д ), см; Х 4 — глубина хода сферических дисков (a), см; Х 5 — угол установки кожуха-направителя (φ), град.; Х 6 — скорость движения агрегата (V), м/с. В качестве параметров на выходе были обозначены показатели эффективности процесса тушения очага горения: У 1 — полнота гашения очага горения на расстоянии 3 м от агрегата, %; У 2 — дальность метания грунта, м; У 3 — масса метаемого грунта на расстоянии 3 м от агрегата, м ³ (см. фото, таблицу).

Фото. Экспериментальный образец лесохозяйственной грунтометательной машины: 1 — трактор Т-150К; 2 — рама; 3 — навесное устройство; 4 — опорные колёса; 5 — дисковые рабочие органы; 6 — фреза-метатель; 7 — направляющий кожух; 8 — защитный каркас; 9 — гидромотор фрезы-метателя [фото авторов]

Photo. Experimental sample of a forestry soil-throwing machine: 1 — tractor T-150K; 2 — frame; 3 — attachment; 4 — support wheels; 5 — disk working bodies; 6 — cutterthrower; 7 — guide casing; 8 — protective frame; 9 — hydraulic motor of the cutterthrower

Таблица. Данные разведывательного эксперимента с натуральными значениями факторов и откликов

Table. Data from a reconnaissance experiment with natural values of factors and responses

№	Х 1	Х 2	Х 3	Х 4	Х 5	Х 6	У 1	У 2	У 3
1	30	0	50	15	45	1,4	0	8	0,101
2	45	30	50	15	45	1,4	60	12	0,108
3	30	30	50	5	45	1,4	70	10	0,104
4	30	30	30	5	30	1,4	70	5	0,05
5	30	0	30	15	30	1,4	100	10	0,104
6	30	30	40	5	30	0,83	0	10	0,18
7	30	30	40	10	30	0,83	100	7	0,23
8	30	15	40	15	45	0,83	100	6	0,1009

После получения данных была приведена регрессионная модель влияния параметров лесохозяйственной грунтометательной машины на полноту гашения очага горения на расстоянии 3 м:

31   5 1 ’2’3 ’12’13’23

» 1     ⁷  1  ⁷ Z ⁷ J   ⁷1Z⁷1j⁷Zj           I A f

, где х1 — угол атаки сферических дисков (α), град.; х2 — угол установки сферических дисков в вертикальной плоскости (β), град.; х3 — расстояние поперечного смещения дисковых рабочих органов (rд), см.

Если привести к каноническому виду, то получим следующее выражение:

к           к                                                 к

A = V E b^ + E А ХЛ ^ A “ A = A - A UA) = E Д Л2              (2)

, где Ys — значение выходной переменной в центре поверхности отклика; Хi — канонические переменные; ХS — координаты нового центра факторного пространства; Вij — коэффициенты канонического уравнения; k — число факторов (в нашем случае k = 3).

Приравнивая к нулю частные производные выражения регрессии по каждому фактору, получится решить систему уравнений и найти координаты нового центра Х S ( х 1S ; х 2S ; х 3S ) факторного пространства (предварительно округлив коэффициенты уравнения до целых значений):

^ = 28 + 14^-7^ = О arj

Решение системы: х 1 S = 1,61; х2S =- 1,06; х 3 S = 1,88 .

Подставив координаты нового центра Х S в уравнение регрессии, получится найти значение выходной переменной Y s в центре факторного пространства:

Коэффициенты ( В 11 , В 22 , В 33 ) канонического уравнения

находим как собственные числа матрицы квадратичной формы путём решения характеристического уравнения, полученного при приравнивании определителя матрицы квадратичной формы к нулю (матрица определителя симметрична, следовательно, все её собственные числа являются вещественными).

Определитель матрицы квадратичной формы

Ьп-в 0,5&₂₁ 0^₃₁

0, 5Ь_п

Ь„ - В

0,5^,

0,5Z>23 =0

0, 5b₃₂ b₃₃ - В

Тогда при b 11 = 0 , b 22 = 0, b 33 = 0, b 12 = 14,38, b 13 = –7,03, b 23 = –4,38

-в	7.2	-3,5
7.2	-В	-2,2	= 0
-3.5	-2,2	-В

Раскрыв определитель, получим характеристическое выражение

Корни характеристического выражения предварительно найдём графически (рисунок 2).

Рисунок 2. Корни характеристического уравнения [рисунок авторов]

Figure 2. Characteristic Equations Roots

Далее значения уточним численно с точностью до 0,01.

Отсюда В 11 = –1,82 , В 22 = –6,94, В 33 = 8,76.

Правильность расчётов проверяем по формуле j=l 7=1                                                                7=1

,

;=1

Равенство выполняется, следовательно, корни характеристического уравнения определены верно.

Тогда канонический вид регрессионной модели будет иметь вид:

(11) .

При k ≥ 3 дать наглядное представление о геометрии поверхности отклика невозможно. При этом каноническое преобразование позволяет анализировать поверхность отклика двух любых факторов при стабилизированных остальных:

• ■    при стабилизированном Х1 или Х2 поверхность отклика представляет собой вытянутую седловую поверхность, точки экстремума нет, тип кривой в сечении этой поверхности — гипербола;

• ■    при стабилизированном Х3 поверхность отклика представляет собой эллипсоидную выпуклость, есть экстремальная точка, тип кривой в сечении этой поверхности — эллипс.

4.    Обсуждение и заключение

Располагая формулой (1), опишем выражение поверхности отклика, все точки которой определяют соотношения факторов, обеспечивающих полное (100 %-е) гашение очага горения на расстоянии 3 м:

1,82 Д; + 6,94A ; - 8,76X2 = 5,54                          (12)

,

Проведённые аналитические исследования позволяют дать геометрическое описание поверхности отклика и определять сочетания факторов, обеспечивающих полное гашение очага горения на расстоянии 3 м.

В рамках проведённых исследований определён перечень параметров лесохозяйственной грунтометательной машины, оказывающих определяющее влияние на процесс гашения очага возгорания. К ним отнесены угол атаки сферических дисков (α); угол установки сферических дисков в вертикальной плоскости (β); расстояние поперечного смещения дисковых рабочих органов (r д ); скорость движения агрегата (V). Получены регрессионные модели влияния вышеназванных параметров лесохозяйственной грунтометательной машины на полноту гашения очага возгорания на расстоянии 3 м от машины, адекватно описывающие процесс тушения.