автореферат диссертации по технологии, машинам и оборудованию лесозаготовок, лесного хозяйства, деревопереработки и химической переработки биомассы дерева, 05.21.01, диссертация на тему:Обоснование гидродинамических характеристик и технологических параметров линеек из плоских сплоточных единиц

Перфильев Павел Николаевич

003465828

На правах рукописи

ОБОСНОВАНИЕ ГИДРОДИНАМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ЛИНЕЕК ИЗ ПЛОСКИХ СПЛОТОЧНЫХ ЕДИНИЦ

Специальность 05.21.01 - Технология и машины лесозаготовок и

лесного хозяйства

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

0 2дг;?2::э

Архангельск 2009

003465828

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего и профессионального образования «Архангельский государственный технический университет».

Научный руководитель: Научный консультант: Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

- доктор технических наук, профессор А.А.Митрофанов

- кандидат технических наук, доцент В.А.Барабанов

- доктор технических наук, профессор А.А.Камусин

- кандидат технических наук, доцент В.М.Дербин

- ОАО «Двиносплав» ^Архангельск

Защита диссертации состоится «27» апреля 2009г. в 10 часов на заседании диссертационного совета Д 212.008.01 при ГОУ ВПО «Архангельский государственный технический университет» (163002, г.Архангельск, наб. Северной Двины, д.17, ауд.1228).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке АГТУ.

Автореферат разослан «2% марта 2009г.

Ученый секретарь диссертационного совета,

кандидат технических наук, доцент ___ А.Е.Земцовский

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Особенностями лесозаготовительной отрасли Севера европейской части страны и практически всех регионов Сибири, сдерживающими рост заготовки лесоматериалов, являются большие транспортные расстояния. В отдаленных лесоизбыточных регионах отсутствуют магистральные транспортные артерии. При этом отметим, что успехи лесной отрасли в прошлые годы и объясняются, в первую очередь, максимальным использованием для транспортировки лесоматериалов развитой речной сети. Практически все перерабатывающие предприятия были спроектированы на прием лесоматериалов с воды и до настоящего времени располагаются в устьях больших рек.

В настоящее время водный транспорт леса представлен в небольших объемах судовыми перевозками и береговой зимней сплоткой с дальнейшим выводом лесоматериалов в плотах в ранний весенний период. При этом важно отметить, что объемы зимней сплотки лесоматериалов на реках практически достигли своего предела. Для роста судовых перевозок в весенний период в создавшейся ситуации также существенных перспектив нет, так как потребуется увеличение флота, а его содержание при кратковременном периоде работы в навигацию будет обходиться очень дорого. Одним из решений проблемы является повсеместное возобновление объемов навигационной сплотки. Основой новых технологий лесосплава, предлагается навигационная сплотка лесоматериалов на малых и средних реках в течение всей навигации на базе плоских сплоточных единиц (ПСЕ) конструкции Архангельского государственного технического университета (АГТУ) с осадкой 0,25...1,1 м и объемом, соответственно, от 6 до 40 м3.

В настоящее время такая технология лесосплава находится в стадии разработки и внедрения. В частности, апробирован в течении ряда лет плотовой сплав в ПСЕ по рекам Пинеге, Онеге, Ваге и Северной Двине. Утверждены официальные технические условия на плоты из ПСЕ. Дальнейшее внедрение новых технологий сдерживается из-за отсутствия технического и научного обеспечения. Данная диссертационная работа посвящена решению конкретного вопроса этой проблемы - исследованию гидродинамических характеристик линеек из ПСЕ. Знание этих характеристик позволит выполнить конструктивные разработки новой техники и создать технологии изготовления и транспортировки лесоматериалов в ПСЕ.

Цель исследований. Обоснование гидродинамических характеристик линеек из ПСЕ в условиях лесосплава по малым рекам.

Задачи исследований:

- провести анализ существующих технологий сплава лесоматериалов по малым рекам;

- разработать методику и выполнить экспериментальные исследования процессов взаимодействия лесосплавных линеек из ПСЕ с водной средой при их относительном прямолинейном, равномерном движении;

- построить математические модели гидродинамической картины силового взаимодействия лесосплавных линеек из ПСЕ с водной средой в процессе их буксировки;

- выполнить факторизацию гидродинамического сопротивления воды движению линеек из ПСЕ;

- построить математическую модель в виде уравнения регрессии сопротивления воды движению линеек из ПСЕ в зависимости от их параметров с использованием математических методов планирования эксперимента;

- оценить количественное и качественное влияние факторов уравнения регрессии на выходной параметр;

- проверить результаты экспериментальных исследований на влияние масштабного эффекта;

- провести анализ точности результатов экспериментальных исследований путём обработки их с помощью методов математической статистики;

- дать аналитическое обоснование траектории движения линеек из ПСЕ на криволинейных участках рек в зависимости от их размеров и интервала между ПСЕ.

Объект исследований. Технология сплава лесоматериалов по малым рекам.

Предмет исследований. Лесотранспортные единицы в виде линеек из

ПСЕ.

Методы исследований. При проведении исследований использованы основные законы гидродинамики взаимодействия тел с жидкостью при их относительном движении, методы математического анализа, математического и физического моделирования, математической статистики и планирования эксперимента. Использовались специально разработанная буксировочная система и современные средства вычислительной техники. Для обработки экспериментальных данных применялось современное программное обеспечение: Microsoft Office 2007, Statistica 6.0 и SPSS 12.

Научная новизна диссертационного исследования:

- разработана методика экспериментальных исследований гидродинамических характеристик линеек из ПСЕ на моделях разных масштабов;

- впервые построена математическая модель гидродинамической картины силового взаимодействия линеек из ПСЕ с водной средой в процессе их буксировки;

- разработана методика и выполнены экспериментальные исследования сил сопротивления воды движению линеек из ПСЕ с использованием математических методов планирования экспериментов;

- получено уравнение регрессии с использованием теории полных факторных планов для определения силы сопротивления воды в зависимости от размеров линейки из ПСЕ и выполнен анализ количественного и качественного влияния этих размеров на величину сопротивления;

- разработана методика расчета величины интервала между ПСЕ в линейках в зависимости от ширины и радиуса кривизны русла реки.

Научные положения, выносимые на защиту:

- методика расчета гидродинамического сопротивления воды прямолинейному равномерному движению линеек из ПСЕ в водной среде;

- методика и результаты экспериментальных исследований гидродинамических характеристик моделей линеек из ПСЕ;

- математические модели для определения гидродинамического сопротивления воды движению линеек из ПСЕ и коэффициентов сопротивления;

- математическая модель в виде уравнения регрессии для приведенного сопротивления воды движению линеек из ПСЕ в речном потоке, количественный и качественный анализ влияния факторов на величину гидродинамического сопротивления;

- методика расчета интервалов между ПСЕ в линейке для условий лесосплава на криволинейных участках рек.

Достоверность исследований. Достоверность полученных результатов обеспечивается большим объемом выполненных экспериментальных исследований в разных масштабах с использованием современных методов математического планирования экспериментов и обработки опытных данных, хорошей сходимостью экспериментальных и теоретических исследований. Результаты получены с использованием современного программного обеспечения: Microsoft Office 2007, Statistica 6.0 и SPSS 12.

Практическая значимость. Для широкого внедрения новых технологий лесосплава на базе ПСЕ предложена технология сплава лесоматериалов по малым рекам в линейках из ПСЕ и методика расчета их транспортных характеристик. Новая технология позволяет обеспечить вывод лесоматериалов с малыми затратами на большие реки ранней весной по большинству малых рек, где раньше был молевой сплав. При этом не требуются затраты на строительство внутризаводских сухопутных дорог.

Результаты исследования гидродинамических характеристик линеек из ПСЕ могут быть использованы при конструкторской разработке новой техники, оборудования и для исследования гидродинамических характеристик других лесотранспортных единиц из ПСЕ (секции, плоты и т.д.). Представленные научные знания могут быть использованы в учебном процессе средне-профессиональной, высшей школы и в НИИ при разработке технического обеспечения новых технологий.

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались, обсуждались и были одобрены на ежегодных научно-технических конференциях АГТУ (2007 - 2009 гг.); на Всероссийской научно-технической конференции «Научное творчество молодежи - Лесному комплексу России» (г.Екатеринбург, 2008г.).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано три научные работы, в том числе одна в изданиях по перечню ВАК Минобразования РФ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, приложения, общим объемом 129 страниц машинописного текста, содержит 40 иллюстраций, 10 таблиц и список литературы, включающий 101 наименование.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении сформулирована актуальность темы, цель работы, научная новизна, научные положения, выносимые на защиту и практическая значимость.

В первой главе представлен анализ видов транспорта лесоматериалов, достоинства водного транспорта, развитие его в Российской Федерации, история исследований гидродинамических характеристик тел при движении их в жидкости. Сделан обзор исследований по изучаемому вопросу, рассмотрены дальнейшие перспективы развития водной транспортировки лесоматериалов. В последние предкризисные годы наметился рост объемов производства лесоперерабатывающих предприятий ЛПК, многие из них ощутили нехватку сырья для дальнейшего своего развития. Проблемы вызваны огромными транспортными расстояниями и отсутствием современных магистральных видов водной транспортировки лесоматериалов. Перспектив для увеличения береговой сплотки и судовых перевозок практически нет. Увеличить объемы заготовки леса в отдаленных лесоизбыточных районах может повсеместное внедрение навигационной сплотки лесоматериалов по новым технологиям на базе ПСЕ. Предлагаемые новые технологии вывода лесоматериалов в линейках из ПСЕ по малым рекам с незначительными глубинами и шириной являются не только менее энергозатратными и экономически выгодными, но также и экологически чистыми.

Во второй главе приведено теоретическое обоснование процессов движения линеек из ПСЕ в водной среде и математические зависимости для определения гидродинамических характеристик этих линеек.

Гидродинамическое сопротивление воды движению лесосплавных линеек из ПСЕ по классической теории разделяют на три части: волновое сопротивление, сопротивление трения и сопротивление формы.

Й=К в+йтр+Яф. (1)

Сопротивление трения

Сопротивление трения является результатом действия сил вязкости воды, которые возникают в пограничном слое. Влияние сил вязкости проявляется лишь в пределах пограничного слоя. Изучению пограничного слоя и сопротивления трения посвящено большое число исследований, которые отражены в работах Д.И.Менделеева, В.Фруда, Л.Прандтля, Г.Шлихтинга, В.Н.Худоногова, А.Д.Альтшуля, Я.И.Войткунского, А.А.Костюкова, Г.Е.Павленко, К.К.Федяевского и др. Большое число исследований в современной гидродинамике, показало, что на величину сопротивления трения при

движении твердого тела в жидкости оказывают влияние скорость движения тела, его габаритные размеры, шероховатость и плотность жидкости. Величина силы сопротивления трения определяется по зависимости

(2)

где IV - площадь смоченной поверхности модели линейки, которая определяется по формуле

Ш = {В+2Т)Ь, (3)

В, Т , Ь - соответственно ширина, осадка и длина модели линейки из ПСЕ;

стр - коэффициент сопротивления трения; р - плотность воды; v - скорость движения модели.

Для режима с полным проявлением шероховатости коэффициент сопротивления трения, следуя работам Прандтля и Шлихтинга, определяется по зависимости

^тр

( ь V2-5

1,89 + 1,621ё—

(4)

К - эквивалентная «песочная» шероховатость (для модели линейки из

ПСЕ - к3 =0,5 мм).

При выводе формулы (4) Л.Прандтль и Г.Шлихтинг использовали исследования Никурадзе для условий турбулентного обтекания монолитных пластин, приближенно разбив его на три зоны: зона полной турбулентности, переходная зона и зона, соответствующая гидравлически гладкой поверхности. Прандтлем в результате исследований была получена диаграмма для определения коэффициента сопротивления трения для шероховатых пластин в зависимости от числа Рейнольдса (рис. 1). Следует отметить, что многие исследователи в разное время изучавшие вопросы сопротивления трения, например д.т.н. профессор В.Н. Худоногов, отмечали, что график (рис.1) не является однозначным, и для условий, отличающихся от рассматриваемых Л.Прандтлем, может меняться. Но совершенно очевидно, что для плохообте-каемых тел, какими являются все лесосплавные единицы, в том числе и линейки из ПСЕ, на графике может произойти только смещение переходной зоны влево. То есть развитая турбулентность потока наступает при меньших числах Рейнольдса. Все это повышает надежность модельных исследований.

1 2 3 5 10 20 50 100 200

ЮООи'кв/у

г\ VI ч|

17к$

10 2 5 10 2 5 10 2 5 10 2 5 Рис.1 - Диаграмма Прандгля и Шлихтинга для шероховатых пластин

10' 2 5

Яе

Волновое сопротивление

Свойством жидкостей, порождающим волновое сопротивление, является их весомость.

Многочисленные исследования показали, что волновое сопротивление для пучковых плотов начинает проявляться при числах Фруда более 0,30. Также известно, что при движении судов с числами Фруда менее 0,25 волнообразование практически не оказывает влияния на гидродинамические силы. В наших условиях исследования выполнены при числах Фруда 0,022...0,128, следовательно, волновая составляющая сопротивления не оказывает существенного влияния на полное сопротивление и ей можно пренебречь.

В результате формула полного гидродинамического сопротивления (1) воды равномерному прямолинейному движению линейки из ПСЕ принимает вид

& = (5)

Сопротивление формы

Сопротивление формы линейки из ПСЕ зависит в большей части от площади миделевого сечения, которую, в свою очередь, обеспечивает осадка и ширина линейки. Вместе с тем, ширина линейки влияет на величину отрыва пограничного слоя. Оторвавшиеся массы жидкости пограничного слоя замещаются притекающими извне в противоположном направлении массами, в результате чего происходит встречное движение масс жидкости, формирующееся в изолированные крупные и развитые вихри и вызывающее значительное повышение гидродинамического сопротивления лесосплавной линейки

из ПСЕ. Поэтому, чем линейка шире и больше у нее осадка, тем выше сопротивление формы.

Величина силы сопротивления формы определяется по зависимости

Яф = Сф^У2, (6)

где Сф - коэффициент сопротивления формы. Коэффициент сопротивления формы для тел, движущихся в жидкости, определяется экспериментальным путем по зависимости

5 - площадь миделевого сечения модели линейки, которая определяется по формуле

5 = 5Г. (8)

В третьей главе представлена методика расчета параметров линеек из ПСЕ для условий лесосплава на криволинейных участках рек.

Ширина линейки из ПСЕ ограничивается шириной лесосплавного хода реки. Осадка линейки не должна превышать глубину лесосплавного хода с обеспеченностью 95% с учетом донного запаса 0,2 м. Максимальная длина линейки принимается для условия обеспечения ее одинарного изгиба (рис. 2) на повороте в зависимости от радиуса кривизны лесосплавного хода. При большей длине возникают сложности при буксировке. Для этих условий рекомендуем формулу

1Л < г'аг + 1т, (9)

где аг - центральный угол дуги выпуклой кромки лесосплавного хода на повороте с нормирующим радиусом закругления в радианах;

г' - радиус кривизны лесосплавного хода русла реки;

1т - переходный участок между излучинами реки.

Для определения числа ПСЕ в линейке пПсе для этих условий рекомендуем формулу

Рис. 2 - Схема излучины с нормирующим радиусом закругления русла

ппсе —

1псе'

Ьл - длина линейки из ПСЕ в натурных условиях; 1псе - длина одной ПСЕ в натурных условиях.

Рис. 3 - Геометрическая вписываемость линейки из ПСЕ в криволинейный участок реки.

Проходимость линейки на криволинейных участках русла рек обеспечивается интервалами между ПСЕ. Величина этого интервала определяется в зависимости от радиуса кривизны лесосплавного хода.

Длину выпуклой части линейки из ПСЕ 1Л (рис. 3) определим из зависимости

г 2пг2 г ' 2ттГч , /

L»=M-a = Ll+XC = Ж-а + ХС>

(П)

где

(12)

х - число интервалов;

с' - величина интервала между ПСЕ в линейке.

Получаем

, _ TTg(r2-ri) паВ„ 180х 180*'

Вл - ширина линейки из ПСЕ в натурных условиях.

Для возможного на практике интервала варьирования радиусов поворота лесосплавного хода реки графически определены значения интервала между ПСЕ в линейках шириной 6,5 м, которые представлены в табл.1. и на графике (рис.4).

Определение размера интервала между ПСЕ в линейках

Табл. 1

г', м 50 75 100 125 150

cis, м I 1,07 0,70 0,52 0,42 0,34

О 50 100 150

радиус кривизны лесосплавного хода,

Рис. 4 - Зависимость с6 5 = /(г1).

Для практических расчетов величины интервала между ПСЕ в линейках шириной 6,5м и 4,5м получены расчетные зависимости

сад = бб.ООг1-1,050, (13) с;,5 = гбДЭг'"1'045, (14) где с4 5 - интервал между ПСЕ в линейках шириной 4,5м.

Проверка на адекватность по критерию Фишера показала, что зависимости (13) и (14) адекватно отображают результаты, вычисленные по формуле (12).

В четвертой главе приводится методика и результаты экспериментальных исследований гидродинамических характеристик линеек из ПСЕ с использованием классических подходов проведения опытов и с использованием математических методов планирования экспериментов. В результате проведенных экспериментов получены математические зависимости для определения коэффициентов сопротивления и гидродинамического сопротивления воды движению линеек из ПСЕ.

Критерии подобия

Моделирование процессов движения линеек из ПСЕ подчиняется двум критериям: Фруда и Рейнольдса.

¥г =

т> у1

Яе =—,

V

(15)

где V - кинематический коэффициент вязкости.

Учитывая несовместимость этих критериев, исследования выполнены по числу Фруда в автомодельной области чисел Рейнольдса. В дальнейшем для оценки влияния масштабного эффекта дополнительно были выполнены опыты. Исследования проведены в интервале варьирования значений критерия Фруда 0,022 ... 0,128 и числа Рейнольдса 0,64-105 ... 0,81 ■ 10б. Последнее подтверждает, что исследования выполнены в условиях развитой турбулентности потока.

Исследования гидродинамических характеристик линеек из ПСЕ с использованием классических подходов Экспериментальные исследования гидродинамических характеристик линеек из ПСЕ выполнены в опытовом бассейне кафедры водного транспорта леса и гидравлики АГТУ в масштабе 1:20. Модели лесосплавных линеек изготовлены из модельных бревен длиной325±2 мм и 225±2 мм и диаметром 10 .. 11 мм.

Рис. 5 - Модель линейки из восьми трехрядных ПСЕ

Для передачи тяговых усилий использована трехкратная полиспастная система. Она состоит из двух полиспастов, один из которых передает на модель линейки усилие тяги, второй - усилие торможения. Схема опытового бассейна представлена на рис. 6.

Разгон и равномерное прямолинейное движение моделей линеек из ПСЕ осуществляется силой (О, +С3 -вг)/гл, где/„- кратность полиспаста.

Рис. 6 - Экспериментальная установка -опытовый бассейн 1 - Модель линейки из ПСЕ; 2 - блок с фиксирующим датчиком; 3 - блок полиспаста; 4 - груз; 5 - подставка.

Равномерное движение

Торможение ■4-

По окончании равномерного движения моделей груз <3, доходит до подставки и останавливается. В дальнейшем торможение моделей до полной их остановки осуществляется силой (02 -03)/|п. Движение моделей фиксировалось специально сконструированными датчиками, основанными на фотодиодах. Датчик передавал сигнал на ЭВМ, по окончанию эксперимента на экране компьютера формировался график изменения скорости перемещения моделей от времени (рис. 7).

Время, с

Рис. 7 - Изменение скорости движения моделей линеек из ПСЕ в зависимости от времени В диссертационной работе обработаны данные о равномерном движении модели. Буксировка моделей выполнялась при различных скоростях, соответствующих натурным от 0,5 до 1,5 м/с. Всего по прямолинейному равномерному движению обработано 600 опытов, каждый из которых повторялся не менее 5 раз, в масштабе 1:20, кроме этого выполнены 30 опытов в масштабе 1:6,7. Последние выполнены с целью оценки влияния масштабного эффекта.

1'2 При проведении опытов

были заданы различные значения усилия буксировки, при этих значениях определялась скорость прямолинейного равномерного движения моделей линеек из ПСЕ. Для каждой из 120 моделей построены графики й = /(и) (рис.8) и методом наименьших квадратов отклонений подобраны зависимости видай = аи2.

По этой зависимости рассчитано полное гидродинамическое сопротивление воды при каждой скорости буксировки

Для каждого опыта определено среднее значение скорости, среднее квадратичное отклонение, доверительный интервал, коэффициент вариации, средняя ошибка среднего арифметического и показатель точности. Показа-

0,2

скорость, м/с

Рис. 8 - Связь усилий буксировки и средних скоростей равномерного прямолинейного движения одной из 120 моделей линеек из ПСЕ

тель точности для экспериментальных данных колеблется в диапазоне 0,00...0,61%. Таким образом можно сделать вывод, что точность измерений достаточно высокая. Это обуславливается повсеместным применением ЭВМ и точной настройкой буксировочной системы.

Для определения величины сопротивления формы предварительно для всех моделей по зависимостям (2), (3) и (4) определены значения сопротивления трения.

Отсюда сопротивление формы

йф = я - КР- (16)

Коэффициент сопротивления формы для каждой модели определен по зависимости (7). График зависимости сф = / представлен на рис. 9.

р. о с

о ч

о £

в 8.

«з й

Я к

•е

-е-

Г)

3

1,6 1,4 1,2 1 0,8 0,6 0,4 0,2 0

• » Г4 ♦ ♦

« * + * * *

7* *

"й* * * ♦ »

♦ I

0

отношение 1УВ

12

15

г а

Рис. 9 - Зависимость сф : Для определения коэффициента сопротивления формы для линеек методом наименьших квадратов отклонений получена расчетная зависимость, справедливая для модельных и натурных условий

I,

сА =0,641+0,032

В,

(17)

Данная зависимость проверена на адекватность по критерию Фишера: уравнение (17) адекватно описывает экспериментальные данные. Коэффициент корреляции гху, который оценивает тесноту связи между переменными, составил гху = 0,67. Следовательно, имеет место функциональная зависимость между величинами: сф и отношением —.

вл

Для облегчения методики расчета величины сопротивления воды движению моделей линеек из ПСЕ для каждой модели по зависимости (4) рассчитан коэффициент сопротивления трения. График зависимости стр = / ^ представлен на рис. 10.

10,009

« 0,008

н я 0,007

g 0,006 | к 0,005 | 0,004 S i 0,003

* I 0,002 & 0,001 в о

0 3 6 9 12 15

отношение L/B

Рис. 10 - Зависимость стр = / Для определения коэффициента сопротивления трения для линеек из ПСЕ методом наименьших квадратов отклонений получена расчетная зависимость, справедливая для модельных и натурных условий

сяр= 0,008 -0,0002-^. (18)

л

Данная зависимость адекватна вычисленным данным. Коэффициент корреляции составил гху = - 0,88, следовательно, имеет место функциональ-

L

ная зависимость между величинами: сф и отношением

Окончательно расчетная формула для определения полного сопротивления воды движению линеек из ПСЕ в натурных условиях принимает вид

+ (19)

Количественная оценка влияния основных размеров линеек из ПСЕ на гидродинамическое сопротивление

С целью изучения качественного и количественного влияния факторов на гидродинамическое сопротивление воды движению линеек из ПСЕ выполнен многофакторный эксперимент.

Основными факторами, влияющими на величину гидродинамического сопротивления воды движению линейки из ПСЕ, являются её габаритные размеры и интервал между ПСЕ, а также скорость движения линейки. Величину гидродинамического сопротивления воды движению модели линейки из ПСЕ в общем виде определим по зависимости

R = ro2, (20)

где г - приведенное сопротивление воды движению модели линейки.

В зависимости (20) величина R при постоянной скорости является для каждой модели функцией г. Поэтому величина г в уравнении регрессии (21) принята за выходной параметр.

♦н--♦

► ---

Интервалы варьирования____табл. 2

Факторы Ь, м В, и Т, м с', м

хш1п —хт„г -1...+ 1 -1...+1 -1...+1 -1...+1

—хтпг 0,65 - 2,6 0,225 - 0,325 0,01-0,05 0 - 0,05

Интервалы варьирования входных факторов в табл. 2 даны в условном х и действительном X масштабе. В последующих выводах принято: х/ - длина модели; х2 -ширина модели; хз - осадка модели; интервал между ПСЕ в модели линейки.

Полученное уравнение регрессии -

г = 5,6275+1,3188*:, +0,9688*:, +2,6425*:, +0,4763*. +0,1975*:,*, +0,ЗШх.х, +

(21)

+ 0,4225х,х4 + 0,708&с2х3 + 0,1563х3х4 + 0,161 \хгх4 х >

оценено на воспроизводимость по критерию Кохрена, значимость по критерию Стьюдента (выявлено 5 незначимых коэффициентов уравнения регрессии), адекватность по критерию Фишера. Адекватность подтверждается.

Дополнительно для анализа полученного уравнения регрессии (21) построены совмещенные графики зависимостей — = /(т"-;-^-;-—;-^-) для мо-

Гер ¿ср °ср 'ср С ср

делей линеек из ПСЕ, справедливые и для натурных условий.

в-с'/с'ср

Рис. 11 - Зависимости — = /(—;—; —; —) для моделей линеек из ПСЕ

1~ср Ьср ВСр Тер С ср

По графикам, представленным на рис.11, можно судить о количественном влиянии габаритных размеров линеек из ПСЕ на приведенное сопротивление воды их движению. Можно сделать вывод о том, что на приведенное сопротивление, а вследствие этого, и на гидродинамическое сопротивление воды движению линейки из ПСЕ, оказывает максимальное влияние осадка и ширина линейки. Это можно объяснить тем, что большую часть гидродинамического сопротивления воды движению линеек из ПСЕ составляет сопротивление формы, которое в свою очередь зависит от их осадки и ширины. Также можно отметить, что интервалы между ПСЕ в линейке в исследованном интервале варьирования практически не оказывают влияния на приведенное сопротивление. Это объясняется малой величиной площади интерва-

лов в площади линейки. В тоже время интервалы между ПСЕ важны для достижения гибкости линейки на криволинейных участках русел рек.

Для оценки степени ^Ьь влияния парного взаимодейст-

- вия факторов на гидродина-

? | ЛяШ^Ш^ЯШь мическое сопротивление мо-

? 10 | ^^ШшВ^Ш^ШШ^к. делей линеек из ПСЕ построе-

^ 3 ны графики зависимостей

^ в приведенного сопротивления

л 1 г в функции от парного взаи-

^^Ч ^ВВНВНР^ при постоянном зна-

чении остальных факторов. оР"* ^ Для примера на рис.12 пред-

<¿^=>1 ^ ставлен график зависимости

г = /(Г, В) при постоянном зна-

_ ,. „ ,„„, чении средней длины моделей и

Рис.12 - Зависимость г = г(Т, В) при постоян- пг^т-

1 4 у К, среднего интервала между ПСЕ

ном среднем значении остальных факторов „

в линеиках.

Анализируя графики парного влияния факторов на гидродинамическое сопротивление линеек из ПСЕ можно сделать вывод, что при увеличении габаритных размеров (длины, ширины и осадки) линеек из ПСЕ приведенное сопротивление возрастает. Визуально можно установить, что парное взаимодействие осадки и ширины линеек из ПСЕ оказывает максимальное влияние на величину гидродинамического сопротивления. Парное взаимодействие ширины и длины оказывает менее интенсивное влияние на рост гидродинамического сопротивления воды движению линеек из ПСЕ. По графикам можно определить для любых координат точек поверхности величину приведенного сопротивления.

Для практических расчетов получена регрессионная модель с натуральными обозначениями факторов (25). Значения х через X определены по формулам

Х-Ха

х + х

у _ тах тт

ло~-- , (23)

X — X

АХ = тгх _ (24)

0,000

0,400

Получена следующая зависимость г = 1,6970+- 0,1171- Ь- 2,5546- В - 9^8984- Т+2,0444- с'40,7426- Ь-В+

+19,4774-1-Г-0,9531-1-с'+6750476-В-Г-10,7533-Л-с'+14,8857-Г-с'+ (25)

+6,6174-1-В-с'

Для каждой модели лесосплавной линейки по уравнению регрессии была вычислена величина гидродинамического сопротивления и результаты сравнены с расчетом по формуле (19). Для примера приведен график связи гидродинамического сопротивления воды движению модели линейки из ПСЕ, рассчитанного по классической методике и по уравнению регрессии для одного опыта.

Как видно результаты полностью совпадают. График (рис.13) подтверждает, что гидродинамическое сопротивление воды движению линейки из ПСЕ можно рассчитывать, как при помощи уравнения регрессии, так и по методике с использованием классических методов исследований. Возможности классической методики шире, так как она основывается на физической природе явления.

Анализ полученного экспериментальным путем уравнения регрессии позволяет обоснованно принимать соотношения параметров линеек в натурных условиях и учитывать характер изменения этих параметров при разработке новой техники.

0,100 0,200 0,300 Я по классической методике, Н

Рис.13 -Связь гидродинамического сопротивления воды движению модели линейки из ПСЕ, рассчитанного по классической методике и по уравнению регрессии

Оценка влияния масштабного эффекта при пересчете результатов экспериментальных исследований на натурные условия

Для оценки влияния масштабного эффекта дополнительно были проведены экспериментальные исследования линеек из ПСЕ в масштабе 1:6,7. Модели изготовлены из модельных бревен длиной 975±2 мм и 675±2 мм и толщиной 30±2 мм. Для проверки испытано 6 моделей. Всего в масштабе 1:6,7 обработано 30 опытов, каждый опыт повторялся не менее 5 раз. Габаритные размеры моделей представлены в табл. 3.

Габаритные размеры моделей ___Табл. 3

' № модели Длина, м Ширина, м Осадка, м Интервал между ПСЕ, м

1 1,95 0,975 0,025 0,000

2 1,95 0,975 0,025 0,075

3 1,95 0,975 0,025 0,150

4 1,95 0,675 0,025 0,000

5 1,95 0,675 0,025 0,075

6 1,95 0,675 0,025 0,150

По вышеизложенной методике для моделей в масштабе 1:6,7 определены значения коэффициента сопротивления формы. Полученные значения (6 значений) показаны на графике (рис. 9) черными квадратами (рис.14). 1,6

W s я

0>

S

я

н -о

о, «

с

8 з

я -S-

я

s

en

1,4 1,2 1

0,8 0,6 0,4 0,2 0

♦ ♦

♦ ♦ ♦ ♦ ♦ ♦

* * * *t .

ч ♦ —¿i—гТГ* -— -^t t

hi *1 i

М ■ ♦ ♦

10

15

отношение L/B

f(i

Рис. 14 - Зависимость Сф ■ Проверка полученных результатов на адекватность зависимости (17) подтверждается критерием Фишера. Критерий Фишера расчетный Ррас=0,3, табличное значение - ¥таб=\,Ь. Ррас < Ртаб. Масштабный эффект практически отсутствует.

Анализ точности полученных расчетных формул Для оценки точности вычислений коэффициентов сопротивления и полного гидродинамического сопротивления определены их абсолютные погрешности по зависимостям

Д Сл, =

кСтр =

- — (l,89+ 1д-)М;

I InlO V а к J

(26) (27)

Д R =

(5) ^ (ё)'^* ©V* (28)

ч

Результаты вычислений: Дсф < 0,44% , Астр < 0,05%, ДК < 3,57%. Точность вычислений высокая, ошибка не превышает 5%.

Основные выводы и рекомендации.

1. Водный транспорт леса в РФ является востребованным, как более экономичный в сравнении с автомобильным и железнодорожным транспортом. При соблюдении всех требований Водного и Лесного кодексов он является и экологически чистым видом транспорта. Решение проблемы повышения объемов заготовки лесоматериалов, в условиях отмены молевого сплава и малых глубин на реках, может быть достигнуто широким внедрением новых, экологически чистых технологий лесосплава на базе ПСЕ малой осадки большого объема. Работы по научному обоснованию, разработке и внедрению новых технологий на базе ПСЕ начаты. В частности, исследованы гидродинамические характеристики ПСЕ и внедрен плотовой лесосплав на базе ПСЕ на реках Пинега, Онега, Северная Двина. Выполненные автором исследования гидродинамических характеристик линеек из ПСЕ являются составной частью исследований в этом направлении кафедры водного транспорта леса и гидравлики АГТУ.

2. Анализ геометрического, кинематического и динамического подобия при моделировании движения линеек из ПСЕ, как плохо обтекаемых тел, в воде в разных масштабах показал, что опыты выполнены в условиях автомо-дельности по числу Рейнольдса, и связь между моделью и натурой обеспечивается по числу Фруда. Полученные по классической методике результаты экспериментальных исследований моделей линеек из ПСЕ в виде зависимостей для определения гидродинамического сопротивления воды справедливы и для натурных условий.

3. Построена адекватная натурным условиям математическая модель в виде уравнения регрессии для приведенного сопротивления воды движению лесосплавных линеек из ПСЕ с входньми факторами, являющимися габаритными размерами этих линеек (длина, ширина, осадка и интервалы между ПСЕ).

4. Сделан анализ уравнения регрессии на количественное и качественное влияние входных факторов и их сочетаний на гидродинамическое сопротивление воды движению лесосплавных линеек из ПСЕ. Результаты анализа можно использовать при разработке конструкции линеек, технологий их транспортировки и при разработке новых технологий.

5. Разработанные методики определения гидродинамического сопротивления линеек из ПСЕ по классической теории и с использованием математических методов планирования экспериментов можно применять и при исследовании гидродинамического сопротивления других лесотранспортных единиц. Результаты вычислений гидродинамического сопротивления по обеим методикам одинаковы.

6. Выполнены теоретические исследования и получены зависимости для определения интервала между ПСЕ в линейках разной ширины в зависимости от радиуса кривизны русла реки, необходимые при техническом и технологическом проектировании лесосплава по малым рекам.

7. Результаты исследований позволят разработать более совершенное, современное техническое обеспечение лесосплава по новым технологиям. Их необходимо учитывать предприятиям лесопромышленного комплекса и в практической работе при проведении лесосплава.

8. Знание гидродинамических характеристик линеек из ПСЕ позволит правильно подобрать такелаж, выбрать необходимые средства буксировки и разработать технологию организации сплава.

9. Использование на лесосплаве линеек из ПСЕ позволит увеличить объемы лесозаготовок в стране, что в свою очередь положительно повлияет не только на лесную отрасль, но и на экономику страны в целом.

10. Линейки из ПСЕ можно использовать в отдельных случаях, как транспортные средства для попутных грузов (технологическая щепа, лесоматериалы с малым запасом плавучести и др.)

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Перфильев П.Н. Исследования гидродинамических характеристик линеек из плоских сплоточных единиц [Текст]: / П.Н.Перфильев, А.А.Митрофанов - Архангельск: Изв.вузов, Лесной журнал, 2009, № 1. - с.44-51.

2. Перфильев П.Н Методика исследований гидродинамических характеристик линеек из плоских сплоточных единиц [Текст.] :/П.Н.Перфильев, А.А.Митрофанов / Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов: сборник научных трудов-Архангельск: изд-во АГТУ, 2007. - выпуск 73. -с.192-196.

3. Перфильев П.Н. Проблемы лесосплава и методика исследований гидродинамических и инерционных характеристик линеек из плоских сплоточных единиц [Текст]:/ П.Н.Перфильев, ДА.Штаборов / Научное творчество молодежи - лесному комплексу России. Материалы IV всероссийской научн.-техн.конф - Екатеринбург: Урал.гос.лесотехн.ун-т, 2008. - Ч.2.- с.46-49.

Ваши отзывы на автореферат в двух экземплярах с заверенными подписями просим направлять по адресу: 163002, г. Архангельск, ул. Наб. Северной Двины, д. 17, АГТУ, ученому секретарю диссертационного совета Д212.008.01 Земцовскому А.Е. Телефон 8(8182)21-61-49. Телефон-факс 8(8182)21-61-50.

Подписано в печать 23.03.2009. Формат 70x54/16.

Усл. печ. л. 1.25. Тираж 100 экз. Заказ № 55.

Отпечатано в полном соответствии с качеством предоставленного оригинал-макета в типографии ГОУ ВПО «Архангельский государственный технический университет»

163002, г. Архангельск, наб. Северной Двины, 17

ВВЕДЕНИЕ

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА

1.1. Достоинства и недостатки водного транспорта лесоматериалов

1.2. Развитие водного транспорта леса в Российской Федерации в начале

20 века

1.3. Развитие науки о водном транспорте леса 1 з

1.4. История исследований гидродинамических характеристик тел при движении в жидкости

1.5. Обзор исследований по изучаемому вопросу

1.6. Развитие водного транспорта леса в Архангельской области

1.7. Перспективы развития водного транспорта лесоматериалов в Российской Федерации

2. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ДВИЖЕНИЯ ЛИНЕЕК ИЗ ПЛОСКИХ СПЛОТОЧНЫХ ЕДИНИЦ В ВОДНОЙ СРЕДЕ

2.1. Гидродинамическое сопротивление воды движению линеек из плоских сплоточных единиц

2.2. Картина движения воды около линеек из плоских сплоточных единиц

2.3. Полное гидродинамическое сопротивление воды движению линеек из плоских сплоточных единиц и его составные части

2.4. Сопротивление трения линеек из плоских сплоточных единиц

2.5. Пограничный слой

2.6. Волновое сопротивление линеек из плоских сплоточных единиц

2.7. Обоснование математической зависимости для определения коэффициента сопротивления формы моделей линеек из плоских сплоточных единиц

2.8. Критерии подобия и их использование при моделировании равномерного прямолинейного движения линеек из плоских сплоточных единиц

3. РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ ЛИНЕЕК ИЗ ПЛОСКИХ СПЛОТОЧНЫХ ЕДИНИЦ ДЛЯ УСЛОВИЙ ЛЕСОСПЛАВА НА КРИВОЛИНЕЙНЫХ УЧАСТКАХ РЕК

3.1. Путевые условия транспортировки линеек из плоских сплоточных единиц

3.2. Криволинейные участки рек

3.3. Очертание сплавной трассы

3.4. Габариты линеек из плоских сплоточных единиц в условиях движения на криволинейных участках рек

4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ГИДРОДИНАМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ЛИНЕЕК ИЗ ПЛОСКИХ СПЛОТОЧНЫХ ЕДИНИЦ

4.1 Методика выполнения экспериментальных исследований

4.2. Исследования гидродинамических характеристик линеек из плоских сплоточных единиц с использованием классических подходов

4.3. Количественная оценка влияния основных размеров линеек из плоских сплоточных единиц на гидродинамическое сопротивление

4.4. Анализ полученного уравнения регрессии

4.5. Оценка влияния масштабного эффекта при пересчете результатов экспериментальных исследований на натурные условия

4.6. Анализ точности полученных расчетных формул Ю7 ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ 112 Список литературы 114 Приложения

Актуальность темы.

Объемы заготовки лесоматериалов в Российской Федерации в последние годы значительно снизились. Только в Архангельской области они упали почти в три о раза и составляют около 10 млн. м . Вместе с тем, в 60-е, 70-е годы 20 века - годы расцвета промышленности, объемы заготовки в Архангельской области составляли 27 млн.м3. Отсюда можно отметить, что объемы в 10 млн.м3 не являются предельными и могут быть увеличены до объемов расчетной лесосеки, которая в настоящее время составляет 20 млн.м . В большинстве районов в этом случае были бы решены многие проблемы, в том числе безработица и наполняемость бюджета.

Особенностями лесозаготовительной отрасли в Архангельской области, как практически и во всех регионах Сибири, сдерживающими рост заготовки лесоматериалов является большая удаленность лесоизбыточных регионов от потребителей и отсутствие там магистральных видов транспорта - железнодорожного и водного. При этом отметим, что успехи лесной отрасли в прошлые годы и объясняются, в первую очередь, максимальным использованием для транспортировки лесоматериалов развитой речной сети. Практически все перерабатывающие предприятия были спроектированы на прием лесоматериалов с воды и до настоящего времени располагаются в устьях больших рек. Объемы поставки лесоматериалов в плотах достигали только в Архангельской области 16 млн.м в год. Этого объема вполне хватало всем экспортным предприятиям. Остальная древесина, примыкающая к железнодорожному транспорту, как избыточная, вывозилась из области в южные регионы страны.

По многим объективным и субъективным причинам надежно работающие технологии лесосплава были отменены, а новые разработаны не были. Лесозаготовительные предприятия, примыкающие к малым и средним рекам, оказались отрезанными от транспортных артерий. Существенные объемы древесного сырья оказались исключенными из ресурсов вывозки. Лесозаготовки перемещаются в маловозрастные и низкобонитетные насаждения, а также в недорубы прошлых лет, в то время как недоступные спелые и перестойные массивы леса подвергаются деградации.

Прекращение молевого сплава не дало ощутимого результата и в части повышения эффективности функционирования рыбного хозяйства, в то время как отрицательные экологические и экономические последствия этого шага очевидны.

При увеличении удельного веса автомобильных перевозок лесоматериалов, усилилось негативное влияние на среду обитания в связи с увеличением выбросов нефтяного топлива и продуктов его сгорания в почву, воду и атмосферу. Резко возросла потребность в энергоресурсах для доставки леса потребителям. Удельные затраты энергии при выполнении сопоставимой грузовой работы сплавом меньше в 17 раз, чем автомобильным видом транспорта и в 4 раза - чем железнодорожным. Доля транспортных затрат в цене круглых лесоматериалов, доставленных на перерабатывающие предприятия, повысилась с 9.11% в 1965 году до 30.32% в настоящее время, а в отдельных случаях и до 50%, в то время как приемлемой величиной в существующем ценовом поле является 13%. Возврата к старому нет. В то же время успешное функционирование лесопромышленного комплекса в Российской Федерации с её огромными расстояниями вывозки лесоматериалов возможно только при разработке и повсеместном внедрении новых экологически защищенных технологий лесосплава с использованием в лесозаготовительных регионах всей речной сети. Поэтому решение вопросов, связанных с разработкой и совершенствованием новых технологий лесосплава, является актуальной задачей.

В настоящее время водный транспорт лесоматериалов представлен в небольших объемах судовыми перевозками и береговой сплоткой лесоматериалов. При этом важно отметить, что объемы зимней сплотки лесоматериалов на реках практически достигли своего предела. Для роста судовых перевозок в весенний период также существенных перспектив нет, так как потребуется увеличение флота, а его содержание при кратковременном периоде работы в навигацию будет обходиться очень дорого. Одним из выходов из сложившейся ситуации является возобновление объемов навигационной сплотки лесоматериалов. Основой новых технологий лесосплава, предлагается навигационная сплотка лесоматериалов на малых и средних реках в течение всей навигации на базе плоских сплоточных единиц (ПСЕ) конструкции Архангельского государственного технического университета (АГТУ) с осадкой 0,25 . 1,1 м и объемом, соответственно, от 6 до 40 м3.

В настоящее время такая технология лесосплава находится в стадии разработки и внедрения. В частности, опробирован в течении ряда лет плотовой сплав в ПСЕ по рекам Пинеге, Онеге, Ваге и Северной Двине. Утверждены официальные технические условия на плоты из ПСЕ. Дальнейшее внедрение новых технологий сдерживается из-за отсутствия технического и научного обеспечения. Данная диссертационная работа посвящена решению конкретного вопроса этой проблемы -исследованию гидродинамических характеристик линеек из ПСЕ. Знание этих характеристик позволит выполнить конструктивные разработки новой техники и создать технологии изготовления и транспортировки лесоматериалов в ПСЕ.

Внедрение предлагаемых новых экологически защищенных технологий лесосплава с одновременным расширением объемов навигационной сплотки приведет к стабильной работе лесосплавных предприятий и речных пароходств в течение всей навигации, снизятся тарифы на перевозки. Как минимум в два раза вырастут объемы заготовки лесоматериалов, а, следовательно, и поступления в бюджеты всех уровней. Решается социальная проблема занятости населения в портовых городах и особенно в отдаленных лесоизбыточных районах, где сейчас лесозаготовки не ведутся из-за отсутствия транспортных артерий. Переработчики в свою очередь увеличат объемы производства. Будут работать, как и в старые времена, на дешевом сырье и не будут знать проблем с реализацией продукции на мировых рынках.

Цель исследований.

Обоснование гидродинамических характеристик линеек из ПСЕ в условиях лесосплава по малым рекам.

Задачи исследований:

- провести анализ существующих технологий сплава лесоматериалов по малым рекам;

- разработать методику и выполнить экспериментальные исследования процессов взаимодействия лесосплавных линеек из ПСЕ с водной средой при их относительном прямолинейном, равномерном движении;

- построить математические модели гидродинамической картины силового взаимодействия лесосплавных линеек из ПСЕ с водной средой в процессе их буксировки;

- выполнить факторизацию гидродинамического сопротивления воды движению линеек из ПСЕ;

- построить математическую модель в виде уравнения регрессии сопротивления воды движению линеек из ПСЕ в зависимости от их параметров с использованием математических методов планирования эксперимента;

- оценить количественное и качественное влияние факторов уравнения регрессии на выходной параметр;

- проверить результаты экспериментальных исследований на влияние масштабного эффекта;

- провести анализ точности результатов экспериментальных исследований путём обработки их с помощью методов математической статистики;

- дать аналитическое обоснование траектории движения линеек из ПСЕ на криволинейных участках рек в зависимости от их размеров и интервала между ПСЕ.

Объект исследований.

Технология сплава лесоматериалов по малым рекам.

Предмет исследований.

Лесотранспортные единицы в виде линеек из ПСЕ.

Методы исследований.

При проведении исследований использованы основные законы гидродинамики взаимодействия тел с жидкостью при их относительном движении, методы математического анализа, математического и физического моделирования, математической статистики и планирования эксперимента. Использовались специально разработанная буксировочная система и современные средства вычислительной техники. Для обработки экспериментальных данных применялось современное программное обеспечение: Microsoft Office 2007, Statistica 6.0 и SPSS 12.

Научная новизна диссертационного исследования:

- разработана методика экспериментальных исследований гидродинамических характеристик линеек из ПСЕ на моделях разных масштабов;

- впервые построена математическая модель гидродинамической картины силового взаимодействия линеек из ПСЕ с водной средой в процессе их буксировки;

- разработана методика и выполнены экспериментальные исследования сил сопротивления воды движению линеек из ПСЕ с использованием математических методов планирования экспериментов;

- получено уравнение регрессии с использованием теории полных факторных планов для определения силы сопротивления воды в зависимости от размеров линейки из ПСЕ и выполнен анализ количественного и качественного влияния этих размеров на величину сопротивления;

- разработана методика расчета величины интервала между ПСЕ в линейках в зависимости от ширины и радиуса кривизны русла реки.

Научные положения, выносимые на защиту:

- методика расчета гидродинамического сопротивления воды прямолинейному установившемуся движению линеек из ПСЕ в водной среде;

- методика и результаты экспериментальных исследований гидродинамических характеристик моделей линеек из ПСЕ;

- математические модели для определения гидродинамического сопротивления воды движению линеек из ПСЕ и коэффициентов сопротивления;

- математическая модель в виде уравнения регрессии для приведенного сопротивления воды движению линеек из ПСЕ в речном потоке, количественный и качественный анализ влияния факторов на величину гидродинамического сопротивления;

- методика расчета интервалов между ПСЕ в линейке для условий лесосплава на криволинейных участках рек.

Достоверность исследований.

Достоверность полученных результатов обеспечивается большим объемом выполненных экспериментальных исследований в разных масштабах с использованием современных методов математического планирования экспериментов и обработки опытных данных, хорошей сходимостью экспериментальных и теоретических исследований. Результаты получены с использованием современного программного обеспечения: Microsoft Office 2007, Statistica 6.0 и SPSS 12.

Практическая значимость.

Для широкого внедрения новых технологий лесосплава на базе ПСЕ предложена технология сплава лесоматериалов по малым рекам в линейках из ПСЕ и методика расчета их транспортных характеристик. Новая технология позволяет обеспечить вывод лесоматериалов с малыми затратами на большие реки ранней весной по большинству малых рек, где раньше был молевой сплав. При этом не требуются затраты на строительство внутризаводских сухопутных дорог.

Результаты исследования гидродинамических характеристик линеек из ПСЕ могут быть использованы при конструкторской разработке новой техники, оборудования и для исследования гидродинамических характеристик других лесотранс-портных единиц из ПСЕ (секции, плоты и т.д.). Представленные научные знания могут быть использованы в учебном процессе средне-профессиональной, высшей школы и в НИИ при разработке технического обеспечения новых технологий.

Апробация работы.

Основные положения диссертации докладывались, обсуждались и были одобрены на ежегодных научно-технических конференциях АГТУ (2007 - 2009 гг.); на Всероссийской научно-технической конференции «Научное творчество молодежи - Лесному комплексу России» (г.Екатеринбург, 2008г.).

Публикации.

По материалам диссертации опубликовано три научные работы, в том числе одна в изданиях по перечню ВАК Минобразования РФ.

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, приложения, общим объемом 129 страниц машинописного текста, содержит 40 иллюстраций, 10 таблиц и список литературы, включающий 101 наименование.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ

1. Водный транспорт леса в РФ является востребованным, как более экономичный в сравнении с автомобильным и железнодорожным транспортом. При соблюдении всех требований Водного и Лесного кодексов он является и экологически чистым видом транспорта. Решение проблемы повышения объемов заготовки лесоматериалов, в условиях отмены молевого сплава и малых глубин на реках, может быть достигнуто широким внедрением новых, экологически чистых технологий лесосплава на базе ПСЕ малой осадки большого объема. Работы по научному обоснованию, разработке и внедрению новых технологий на базе ПСЕ начаты. В частности, исследованы гидродинамические характеристики ПСЕ и внедрен плотовой лесосплав на базе ПСЕ на реках Пинега, Онега, Северная Двина. Выполненные автором исследования гидродинамических характеристик линеек из ПСЕ являются составной частью исследований в этом направлении кафедры водного транспорта леса и гидравлики АГТУ.

2. Анализ геометрического, кинематического и динамического подобия при моделировании движения линеек из ПСЕ, как плохо обтекаемых тел, в воде в разных масштабах показал, что опыты выполнены в условиях автомодельности по числу Рейнольдса, и связь между моделью и натурой обеспечивается по числу Фруда. Полученные по классической методике результаты экспериментальных исследований моделей линеек из ПСЕ в виде зависимостей для определения гидродинамического сопротивления воды справедливы и для натурных условий.

3. Построена адекватная натурным условиям математическая модель в виде уравнения регрессии для приведенного сопротивления воды движению лесосплавных линеек из ПСЕ с входными факторами, являющимися габаритными размерами этих линеек (длина, ширина, осадка и интервалы между ПСЕ).

4. Сделан анализ уравнения регрессии на количественное и качественное влияние входных факторов и их сочетаний на гидродинамическое сопротивление воды движению лесосплавных линеек из ПСЕ. Результаты анализа можно использовать при разработке конструкции линеек, технологий их транспортировки и при разработке новых технологий.

5. Разработанные методики определения гидродинамического сопротивления линеек из ПСЕ по классической теории и с использованием математических методов планирования экспериментов можно применять при исследовании гидродинамического сопротивления других лесотранспортных единиц. Результаты вычислений гидродинамического сопротивления по обеим методикам одинаковы.

6. Выполнены теоретические исследования и получены зависимости для определения интервала между ПСЕ в линейках разной ширины в зависимости от радиуса кривизны русла реки, необходимые при техническом и технологическом проектировании лесосплава по малым рекам.

7. Результаты исследований позволят разработать более совершенное, современное техническое обеспечение лесосплава по новым технологиям. Их необходимо учитывать предприятиям лесопромышленного комплекса и в практической работе при проведении лесосплава.

8. Знание гидродинамических характеристик линеек из ПСЕ позволит правильно подобрать такелаж, выбрать необходимые средства буксировки и разработать технологию организации сплава.

9. Использование на лесосплаве линеек из ПСЕ позволит увеличить объемы лесозаготовок в стране, что в свою очередь положительно повлияет не только на лесную отрасль, но и на экономику страны в целом.

10.Линейки из ПСЕ можно использовать в отдельных случаях, как транспортные средства для попутных грузов (технологическая щепа, лесоматериалы с малым запасом плавучести и др.).

1. Алферьев М.Я. Ходкость и управляемость судов. Сопротивление воды движению судов: Учебное пособие / М.Я.Алферьев М.: изд. Транспорт, 1967. - 344 с.

2. Альтшуль А.Д. Гидравлические сопротивления Текст. / А.Д. Альтшуль М.: «Недра», 1970. - 216с.: ил.

3. Альтшуль А.Д. Гидравлика и аэродинамика: Учебник для вузов / А.Д.Альтшуль, Л.С.Животовский, Л.П.Иванов -М.: Стройиздат, 1987.-414 е.: ил.

4. Балашов Б.В. Экспериментальные исследования присоединенной массы и сопротивления воды для прямоугольного понтона Текст. / Б.В.Балашов, Л.Б.Певзнер,

5. A.А.Строкин / «Динамические расчеты водно-транспортных сооружений»: Труды координационных совещаний по гидротехнике. 1971. - вып.66 - Л.: Энергия, 1971.-204с.: ил.

6. Барабанов В.А. Динамическое взаимодействие лесотранспортных единиц с водным потоком при развороте Текст. : автореф. дис. канд. техн. наук /

7. B.А.Барабанов. Архангельск: изд. АГТУ, 2003. - 22с.: ил.

8. Богомолов А.И. Гидравлика Текст.: учебник для вузов / А.И.Богомолов, К.А.Михайлов. 2-е изд, перераб. и доп. -М.: Стройиздат, 1972. 648с.: ил.

9. Борисов И.Г. Организация перевозок леса в плотах / И.Г.Борисов М.: Речной транспорт, 1955. - 208 с.

10. Будыка С.Х. Водный транспорт леса и механизация лесосплавных работ Текст. / С.Х.Будыка, Г.А.Манухин, А.Н.Пименов. Минск: Высшая школа, 1970.-439с.:ил.

11. Будыка С.Х. Лесопромышленный справочник Текст. / С.Х.Будыка, А.Ф.Тихонов. Минск: Изд-во акдемии наук БССР, 1962. - 711с.: ил.

12. Водный транспорт леса Текст. / справочник. М.: Гослесбумиздат,1963. -561с.: ил.

13. Войткунский Я.И. Сопротивление движению судов Текст.: учебник / Я.И.Войткунский. 2-е изд., доп. и перераб. Л.: Судостроение, 1988. - 288с.: ил.

14. Войткунский Я.И. Справочник по теории корабля Текст.: справочник / Я.И.Войткунский, Р.Я.Першиц, И.А.Титов Л.: Судпромгиз, 1973. - 511с.:ил.

15. Войткунский Я.И. Гидромеханика Текст. / Я.И.Войткунский, Ю.И.Фаддеев, К.К.Федяевский JI.: Судостроение, 1982. - 588с.:ил.

16. Войткунский Я.И. Сопротивление воды движению судов./ Я.И.Войткунский -JL: Судостроение, 1964. 412 с.

17. Гаврилова E.H. Водный транспорт леса Текст.: справочник / Е.Н.Гаврилова,

18. A.А.Гоник, И.П.Донской М.: Гослесбумиздат, 1963. - 561с.

19. Газета волна № 15(1128) от 22 апреля 2008 статья А.А.Митрофанова «Отчего не возим лес по рекам?»

20. Главатских Н.С. Исследование лесопропускной способности малоизученных сплавных рек Текст.: автореф. дис. канд. техн. наук: / Н.С.Главатских — Архангельск: изд. АГТУ, 2002. -22с.: ил.

21. Главатских Н.С. Исследование лесопропускной способности малоизученных сплавных рек Текст.: дис. канд. техн. наук. / Н.С.Главатских Архангельск: изд. АГТУ, 2002. - 176с.

22. Гоберман В.А. Технология научных исследований методы, модели, оценки Текст.: учеб. пособие / В.А.Гоберман, Л.А.Гоберман - 2-е изд. стереотипное. -М.: МГУЛ, 2002. - 390с.: ил.

23. Гоник A.A. Плотовой сплав леса Текст. / А.А.Гонник Гослесбумиздат, 1951. -199с.

24. Донской И.П. Водный транспорт леса Текст.: учебник / И.П.Донской,

25. B.В.Савельев М.: Лесная промышленность, 1973. - 288с.

26. Идельчик И.Е. Справочник по гидравлическим сопротивлениям Текст.: справочник / И.Е.Идельчик -М.: Машиностроение, 1975. 559с.: ил.

27. Инструкция по проектированию лесосплавных предприятий / Л., 1979. 294 с.

28. Камусин A.A. Водный транспорт леса Текст.: учебник для вузов / А.А.Камусин, Ю.Я.Дмитриев, А.Н.Минаев, М.М.Овчинников, В.И.Патякин, А.Н.Пименов, В.П.Полищук М.: МГУЛ. 2000. - 432с.

29. Камусин A.A. Основы моделирования и оптимизации процессов водного транспорта: Учебное пособие / А.А.Камусин, А.А.Митрофанов, М.М.Овчинников, В .П.Полищук М.: изд. МГУ леса, 2003. - 152 с.

30. Кондратов А.П. Основы физического эксперимента и математическая обработка измерений. Учебное пособие / А.П.Кондрашов, Е.В.Шестопалов М.: Атомиз-дат, 1977, 200 с.

31. Корпачев В.П. Транспорт леса. Теоретические основы водного транспорта леса Текст.: учеб. пособие для вузов / В.П.Корпачев Красноярск: КГТА, - 254с.:ил

32. Корпачев В.П. Сопротивление воды движению лесотранспортных единиц в водном потоке Текст.: учеб. пособие / В.П.Корпачев, Ю.И.Рябоконь Красноярск: РИО СТИ, 1978. - 62с.: ил.

33. Костюков A.A. Сопротивление воды движению судов Текст. / А.А.Костюков -JL: Судостроение, 1966.-448с.:ил.

34. Куколевский Г.А. Первоначальный плотовой лесосплав Текст.: учеб.пособие / Г.А.Куколевский, А.А.Зайцев М.: Лесная промышленность, 1976. - 88с.

35. Кругов В.И. Основы научных исследований Текст.: учебник для техн: вузов / В.И.Крутов, И.М.Грушко, В.В.Попов и др. М.: Высшая школа, 1989. -399с.:ил.

36. Лесная, деревообрабатывающая и целлюлозно-бумажная промышленность Архангельской области Текст.: статистический сборник / Государственный комитет РФ по статистике, Архангельский областной комитет государственной статистики. Архангельск, 2007. - 46с.

37. Лойцянский Л.Г. Ламинарный пограничный слой Текст. / Л.Г.Лойцянский. -Л.:ГИТТЛ, 1957. 125с.:ил.

38. Масляков В.Н. Буксировка плотов: Учебное пособие / В.Н.Масляков М.: изд. Речной транспорт, 1962. - 186 е.: ил.

39. Мельников Л.В. Инерционные характеристики плотов при переменной величине присоединений массы / Л.В.Мельников, А.А.Митрофанов, К.А.Чекалкин Архангельск: Изв.вузов. Лесной журнал. - 1987: - № 6. - С.48-51.

40. Митин В.Ф. Исследование процесса управления плотовым составом Текст.: ав-тореф.дис.канд.наук / В.Ф.Митин М, 1964. - 26с.: ил.

41. Митрофанов A.A. Исследование гидродинамических и инерционных характеристик плотов при остановке Текст.: дис. канд. техн. наук. / А.А.Митрофанов -Архангельск: изд. АЛТИ, 1973. 133с.

42. Митрофанов A.A. Моделирование и оптимизация процессов лесопромышленных производств: Учебное пособие / А.А.Митрофанов, А.А.Камусин Архангельск: изд-во АГТУ, 2003. - 118 с.

43. Митрофанов A.A. Методика исследования на моделях неустановившегося движения плотов Текст. : науч.тр. «Исследования по механизации лесоразработок и транспорту леса» / А.А.Митрофанов Архангельск: изд-во АЛТИД972. -Вып.ХХХШ. - С52-58.

44. Митрофанов A.A. Натурная проверка результатов модельных исследований неустановившегося движения плотов Текст.: науч.тр. «Исследования по механизации лесоразработок и транспорту леса» / А.А.Митрофанов Архангельск: изд-во АЛТИД972. - Вып.ХХХШ. - С66-71.

45. Митрофанов A.A. Научное обоснование и разработка экологически безопасного плотового лесосплава Текст. / А.А.Митрофанов Архангельск: Изд-во АГТУ, 1999.- 288с.

46. Митрофанов A.A. О критериях подобия при моделировании неустановившегося движения плотов Текст. / А.А.Митрофанов, А.А.Чекалкин Архангельск: Изв.вузов, Лесной журнал, 1972. - №1. - С46-50.

47. Митрофанов A.A. Лесосплав. Новые технологии, научное и техническое обеспечение Текст.: монография / А.А.Митрофанов Архангельск: изд-во АГТУ, 2007. - 492 е.: ил.

48. Митрофанов A.A. Основы моделирования и оптимизации процессов лесосплава: Текст лекций / А.А.Митрофанов Архангельск, 1993. - 90с.

49. Митрофанов A.A. Некоторые уточнения к расчету инерционных свойств плотов / А.А.Митрофанов Архангельск: Изв. вузов. Лесной журнал, 1973. - № 5. -С.47-51.

50. Мурашова О.В. Исследования гидродинамических характеристик плоских сплоточных единиц на моделях и в натурных условиях Текст.: / О.В.Мурашова, А.А.Митрофанов Архангельск: Изв.вузов, Лесной журнал, 2007, №1: ил.

51. Мучник С.Я. Регулирование сплавной трассы: Учебное пособие / С.Я. Мучник, Н.Н.Панов Москва: изд. Гослесбумиздат, 1955. - 240 с.

52. Овчинников М.М. Сопротивление движению хлыстовых плотов Текст. / М.М.Овчинников, П.М.Родионов / Лесн.пром-сть, 1979. №6. - С28-29.

53. Овчинников М.М. Методические указания по транспортным расчетам буксировки пучковых плотов / М.М.Овчинников М., 1985. - 81 с.

54. Основные показатели работы лесопромышленных отраслей области за 2003 год (предварительные результаты) Текст.: экономический обзор / Архангельский областной комитет государственной статистики.- Архангельск, 2003. 8с.

55. Основные проблемы сопротивления воды движению судов Текст. / под ред. Павленко Т.Е. Л.: Государственное издательство оборонной промышленности, 1939.-357с.: ил.

56. Павленко Г.Е. Сопротивление воды движению судов Текст. / Г.Е.Павленко М.: Морской транспорт, 1956.-680с.:ил.

57. Павленко Г.Е. Сопротивление воды движению судов Текст. / Г.Е.Павленко М.: Водтрансиздат, 1953.- 507с.:ил.

58. Пат. 2165374 РФ, МКИ7 В 63 В 35/62, В 65 G 69/20. Сплоточная машина / A.A. Митрофанов / Изобрет. Полезные модели. 2001. - № 11. - С. 277.

59. Пат. 2163879 РФ, МКИ7 В 65 G 69/20, 59/102. Раскаточное устройство / A.A. Митрофанов / Изобрет. Полезные модели. 2001. - № 7. - С. 190.

60. Патрашев А.Н. Прикладная гидромеханика / А.Н.Патрашев, Л.А.Кивако М.: Воениздат, 1970. - 685 с.

61. Патякин В.И. Лесосплав без потерь. Текст. / В.И.Патякин. М.: Лесная промышленность, 1974. - 128с.

62. Патякин В.И. Водный транспорт леса Текст.: справочник / В.И.Патякин М.: Лесная промышленность, 1973. - 404с.

63. Патякин В.И. Водный транспорт леса Текст.: учебник для вузов / В.И.Патякин, Ю .Я.Дмитриев, А.А.Зайцев. М.: Лесная промышленность, 1985. - 336с.

64. Перфильев П.Н. Исследования гидродинамических характеристик линеек из плоских сплоточных единиц Текст.: / П.Н.Перфильев, А.А.Митрофанов Архангельск: Изв.вузов, Лесной журнал, 2009 , №1. - с.44-51.

65. Пат. № 2186720 РФ MICH B65G69/20. Размолевочное устройство / Митрофанов A.A. // Открытия, изобрет. 2002. - Бюл. № 22.

66. Пижурин A.A. Исследования процессов деревообработки Текст./ А.А.Пижурин, М.С.Розенблит-М.: Лесн. пром-сть, 1984. -232с.:ил.

67. Подготовка к лесосплаву и транспорт леса в плотах, сборник трудов ЦНИИле-сосплава М.:изд. Лесная промышленность, 1980. - 118 с.

68. Подготовка к лесосплаву и транспорт леса в плотах и судах, сборник трудов ЦНИИлесосплава М.:изд. Лесная промышленность, 1984. - 102 с.

69. Положительное решение на заявку №97115336/13. Плоская сплоточная единица Текст. / А.А.Митрофанов, В.И.Веденин. Принято 26.03.98.

70. Прокофьев Г.Ф. Основы научных исследований Текст.: учеб. пособие / Г.Ф.Прокофьев Архангельск, 1995.-49с.

71. Пустыльник Е.И. Статистические методы анализа и обработки наблюдений Текст. / Е.ИЛустыльник М.: Наука, 1968. - 288с.:ил.

72. Рапинчук С.Ф. Исследование некоторых вопросов сопротивления воды движению плотов Текст.: автореф. дис. канд. техн. наук: 30.05.73 / С.Ф.Рапинчук -Минск, 1973.-31с.: ил.

73. Рапинчук С.Ф. Определение сопротивления воды движению плотов плоской сплотки Текст.: сборник работ по лесосплаву к научно-технической конференции молодых специалистов / С.Ф.Рапинчук Ленинград, 1969. - с.51-55.

74. Рапинчук С.Ф. Оценка коэффициентов сопротивления трения и относительной высоты выступов шероховатости пучковых и плоских плотов Текст. /

75. С.Ф.Рапинчук / Механизация лесоразработок и транспорт леса: сб. науч. тр. -Минск, 1970. -Вып.1. С90-93.

76. Ротта И.К. Турбулентный пограничный слой в несжимаемой жидкости Текст. / И.К.Ротга; пер. с англ. И.Д. Желтухина, Н.А.Сергиевского JL: Судостроение, 1967.-232с.

77. Румшизский JI.3. Математическая обработка результатов эксперимента Текст. / Л.З.Румшизский М.: Наука, 1971. - 192с.

78. Саленек В.В. Исследование управляемости и нормирование габаритов речных плотов Текст.: автореф.дисс.канд.техн.наук / В.В.Саленек. Горький, 1969. -26с.: ил.

79. Соколов О.М. Проблемы и перспективы транспортного освоения лесопромышленного комплекса Текст. / О.М.Соколов, А.А.Митрофанов, В.Л.Рымашевский- Архангельск: Изв. вузов Лесной журнал, 2004. № 3. - С37-43.

80. Суров Г.Я. Водный транспорт: Береговые склады: Учебное пособие / Г.Я.Суров- Архангельск: изд-во АГТУ, 1999. 154 с: ил.

81. Суров Г.Я. Динамическое взаимодействие плавающего пучка брёвен с рейдовыми сортировочно-формировочными механизмами Текст.: дис. канд. техн. наук / Г.Я.Суров. Архангельск, 1981. - 220с.

82. Федяевский К.К. Гидромеханика Текст.: учебник / К.К.Федяевский, Я.И.Войткунский, Ю.И.Фаддеев Л.: Изд. Судостроение, 1968. - 568с,: ил.

83. Фоминцев М.Н. Плоты (конструкция, эксплуатация, технология) / М.Н. Фомин-цев, И.П.Львов, К.В.Соколов и др. М., 1978. - 216 с.

84. Харитонов В.Я. Возможности восстановления и развития водного лесотранспор-та Текст. / Совершенствование техники и технологии лесозаготовок и транспорта леса: сб.науч. тр. ФПР, посвящ. 70-летию АГТУ и ФПР, Архангельск, 1999. - С42-50.

85. Харитонов В.Я. Расчет сопротивления воды равномерному движению лесо-транспортных единиц Текст.: методические указания к выполнению самостоятельных работ / В.Я.Харитонов, В.А.Пустошный Архангельск: РИО АЛТИ, 1993.-24с.

86. Харитонов В.Я Экология водных путей: Учебное пособие/ В.Я.Харитонов, В.А.Пустошный. Архангельск: изд-во АГТУ, 2007. - 235 с: ил.

87. Худоногов В.Н. Гидродинамическое взаимодействие плотов и внешней среды Текст. /В.Н.Худоногов Красноярск, 1966. - 225с.

88. Худоногов В.Н. Исследование волновых сопротивлений пучковых плотов при встречном волнении Текст. / В.Н.Худоногов / труды сборник XLI СТИ Красноярск: Красноярское книжное издательство, 1967. - с.5-14.

89. Худоногов В.Н. Исследование масштабных поправок при переводе на натуру волновых давлений на плоту Текст. / В.Н.Худоногов / труды сборник XLI СТИ Красноярск: Красноярское книжное издательство, 1967. - с. 15-22.

90. Чекалкин К.А. Движение твердых тел в жидкости: Конспект лекций. Л., 1981. -49 с.

91. Черкасов Г.М. К теории движения буксируемых плотов Текст. / Г.М.Черкасов -Казань: Татгосиздат, 1949. 110с.

92. Чернцов В.А. Развитие лесосплава в ближайшие годы Текст. / В.А.Чернцов -Лесн. пром-сть. 1991. - №3. - С4-5.

93. Чугаев P.P. Гидравлика Текст.: учебник для вузов / Р.Р.Чугаев 4-е изд., доп. и перераб. - Л.: Энергоиздат. Ленингр. отд-ние, 1982. - 672с.: ил.

94. Шерстюк А.Н. Турбулентный пограничный слой Текст. / А.Н.Шерстюк. М.: Энергия, 1974. - 165с.:ил.

95. Шлихтинг Г. Теория пограничного слоя Текст. / Г.Шлихтинг; перев. с немецкого. М.: Наука, 1969.- 742с.:ил.

96. Щербаков В.А.Справочник по водному транспорту леса Текст. / В.А.Щербаков, Ю.П.Борисовец, В.Д.Александров [и др.] / под ред. В.А.Щербакова М.: 1986. -384с.

97. Щербаков В.А. Исследование некоторых вопросов управления плотами при буксировке в речных условиях: Дис. канд. техн. наук (рукопись) / В.А.Щербаков -Л., 1961.- 120 с.

98. Щербаков В.А. Управление плотами при буксировке в речных условиях: Технологическая информация / ЦНИИЛесосплава. Л., 1962.- № 134. - 35 с.

99. Пат. №2166467 РФ, В 63 В 35/62. Плоская сплоточная единица / Митрофанов А.А. Опубл. 10.0501, Бюл.№13.

100. Пат. №2187442 РФ, В 63 В 35/62. Плоская сплоточная единица / Митрофанов А.А., Воробьев В.В. и др. Опубл. 20.08.02, Бюл.№23.

101. Павленко В.Г. Математические методы обработки экспериментальных данных Текст. / Павленко В.Г., Гордеев О.И. Новосибирск, 1972. - 137с.

102. Фролов В.В. Сопротивление движению бревен под водой Текст.: / В.В.Фролов / Вопросы лесозаготовок и транспорта леса: сборник научных трудов — Минск: Вышейшая школа, 1967. с. 132-140.