автореферат диссертации по технологии, машинам и оборудованию лесозаготовок, лесного хозяйства, деревопереработки и химической переработки биомассы дерева, 05.21.01, диссертация на тему:Обоснование параметров большегрузных плавучих контейнеров при транспортировке измельченной древесины

ВВЕДЕНИЕ.стр.

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1. Исследования и производственные опыты в области транспортировки измельченного древесного сырья в плавучих контейнерах.стр.

1.2. Анализ состояния вопроса. Описание предлагаемой технологии доставки измельченной древесины в БПК и задачи исследования.стр.

2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ СОПРОТИВЛЕНИЯ ВОДЫ ДВИЖЕНИЮ БОЛЬШЕГРУЗНЫХ ПЛАВУЧИХ КОНТЕЙНЕРОВ (БПК)

2.1. Теоретические предпосылки исследований сопротивления воды движению БПК.стр.

2.2. Лабораторные экспериментальные исследования.стр.

2.2.1. Экспериментальная установка.стр.

2.2.2. Модели, порядок проведения опытов и первичной обработки информации

2.2.3. Лабораторные эксперименты.стр.

2.2.4. Влияние мелководья на сопротивление воды движению БПК.стр.

2.3. Натурные эксперименты.стр.

3. ПЛАВУЧЕСТЬ И ОСТОЙЧИВОСТЬ БОЛЬШЕГРУЗНЫХ ПЛАВУЧИХ КОНТЕЙНЕРОВ С ЗАМОРОЖЕННЫМ СЛОЕМ.стр.

4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ ТАЯНИЯ ЛЬДА В БОЛЬШЕГРУЗНЫХ КОНТЕЙНЕРАХ С ЗАМОРОЖЕННОЙ ЩЕПОЙ.стр.

5. ОПТИМИЗАЦИЯ ПРОЦЕССА ТРАНСПОРТИРОВКИ ЩЕПЫ В БОЛЬШЕГРУЗНЫХ ПЛАВУЧИХ КОНТЕЙНЕРАХ

5.1. Выбор критерия оптимизации и определяющих параметров процесса.стр.

5.2. Анализ ограничений математической модели. стр.

5.3. Целевая функция.стр.

5.4. Анализ результатов расчетов.стр.

6. ВНЕДРЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ

6.1. Методика транспортных расчетов.стр.

6.1.1. Методика расчета сопротивления воды движению ВПК.стр.

6.1.2. Методика расчета ходового времени буксировки ВПК.стр.

6.2. Апробация в производственных условиях технологии формирования и транспортировки ВПК.стр.

ВЫВОДЫ.стр.

Большие резервы в использовании древесных отходов имеются на лесозаготовительных и лесосплавных предприятиях. На береговых складах, на акваториях сплавных рейдов ежегодно скапливаются сотни тысяч кубометров отходов. На лесозаготовительных предприятиях, примыкающих к сплавным путям, остаются на корню в спелых насаждениях десятки миллионов кубометров древесины лиственных пород. Являясь ценным сырьем для многих производств, она не может быть пущена в сплав из-за недостаточной плавучести, наличия гнили и других причин.

Наиболее эффективным, высокопроизводительным и технологичным методом использования отходов является их переработка на технологическую щепу. В настоящее время лесная промышленность располагает необходимым оборудованием для производства щепы непосредственно на лесосеках и береговых складах; созданы и прошли производственные испытания плавучие цеха по переработке на щепу аварийной древесины и топляка на акваториях рейдов и водохранилищ.

Несмотря на значительный эффект и наличие технических средств для производства щепы, использование отходов в стране организовано еще недостаточно. На береговых складах заготавливается около 3-х % вырабатываемой в стране щепы, из которых лишь десятая часть - на самой многочисленной группе складов, непосредственно примыкающих к несудоходным и временно судоходным сплавным путям.

Причина неудовлетворительного использования древесных отходов -отсутствие надежного и экономически оправданного способа транспортировки технологической щепы. Малые глубины, короткие периоды судоходства, низкая концентрация отходов на лесосплавных объектах существенно ограничивают распространение судовых перевозок. Применение сухопутных видов транспорта часто оказывается невозможным по экономическим соображениям, а также из-за отсутствия сети автомобильных и железных дорог в местах лесозаготовок и первичной переработки древесины.

В поисках путей вовлечения в промышленное освоение этих отходов сотрудниками кафедры транспорта леса МЛТИ (ныне МГУЛ) было предложено изготавливать из них щепу на мобильных рубительных машинах и транспортировать ее сплавом в плавучих контейнерах. Применение таких контейнеров для доставки сыпучих и жидких грузов во многих отраслях хозяйства уже показало их высокую эффективность.

Вопросами доставки измельченного древесного сырья по водным путям с удаленных труднодоступных лесозаготовительных предприятий кафедра транспорта леса МГУЛ активно занималась в 1980-х и в начале 1990-х годов. Были разработаны конструкции мягких герметичных и водопроницаемых контейнеров и транспортно-технологические схемы доставки щепы с береговых складов, оборудованных стационарными цехами щепы, передвижными рубительными машинами, а также от плавучих цехов щепы, размещаемых на акваториях лесосплавных рейдов [20,26,30,34]. Все предложенные технологии прошли производственную апробацию на предприятиях ПО «ДВИНОСПЛАВ». Эти производственные опыты показали техническую возможность и, при определенных условиях, экономическую целесообразность контейнерной доставки измельченной древесины по водным путям. Однако существенным недостатком применявшихся в этих опытах плавучих контейнеров был их небольшой объем (1-3 куб. м.), несоразмерный с возможными объемами выработки технологической щепы из отходов и низкокачественной древесины на береговых складах.

Данная работа посвящена теоретическому и экспериментальному обоснованию новой технологии доставки измельченной древесины в большегрузных плавучих контейнерах (БГЖ). Предлагаемая технология базируется на предложенном и запатентованном автором (совместно с к.т.н. доцентом А.Н.Комяковым) способе формирования этого нового типа лесотранспортных единиц (патент РШ 215345 С1; см. Приложение 1).

выводы

Внедрение предложенного способа транспортировки измельченных лесных грузов в ВПК позволит вовлечь в промышленное освоение миллионы кубометров неиспользуемых в настоящее время отходов и низкокачественной древесины на лесосеках, береговых складах, акваториях рейдов и водохранилищ. ВПК является новой не применявшейся ранее разновидностью лесотранспортных единиц. Их разработка и исследование проводились впервые. Проведенная работа позволяет сделать следующие выводы.

1. Предложен и запатентован (патент 1Ш № 2153456) новый способ формирования транспортной единицы для транспортировки грузов по воде и разработана конструкция БПК, основанная на применении данного способа.

2. Важной характеристикой, определяющей техническую возможность и экономическую целесообразность транспортировки древесных грузов в БПК, является сопротивление воды их движению. На основании теории размерностей получено решение задачи о сопротивлении БПК в критериальной форме. Доказано, что коэффициент полного сопротивления Ся зависит от безразмерных параметров Ь/Т, В/Т, числа Фру да Рг = У/Л[^Т , а при условии мелководья также и от Ь/Т. Доказана возможность приближенного моделирования по числу Фруда процесса буксировки БПК. Получен поправочный коэффициент, учитывающий расхождение между результатом модельных и натурных исследований.

3. Получены зависимости для определения коэффициента сопротивления для БПК прямоугольных очертаний и для контейнеров с обтекаемой носовой оконечностью при их транспортировке в условиях «безграничного потока» и мелководья.

Доказано, что устройство обтекаемой носовой оконечности приводит к уменьшению сопротивления на 20-30% и к увеличению скорости буксировки на 5-9% (при равных базовых габаритных размерах БПК).

4. Получены аналитические зависимости для определения основных параметров плавучести и остойчивости БПК различных конструкций, в том числе при наличии на борту дополнительного полезного груза. Даны рекомендации по обоснованию геометрических параметров контейнера для обеспечения остойчивого плавания.

5. Разработана математическая модель и компьютерная программа для определения оптимальных параметров процесса транспортировки лесных грузов в БПК при различных путевых условиях их эксплуатации.

6. Путем натурных экспериментальных исследований доказана возможность применения аналитической зависимости для приближенного расчета скорости движения границы таяния льда в замороженном слое БПК. Установлено, что при характерных для весеннего половодья температурах воды, таяние намороженного слоя будет происходить со средней скоростью около 10 см в неделю, что обеспечивает практически неограниченную дальность транспортировки БПК для имеющихся лесосплавных путей.

7. Предложена и успешно апробирована в производственных условиях Вычегодского сплавного бассейна (республика Коми) технология изготовления и транспортировки БПК. Испытанная технология хорошо вписывается в существующие технологические процессы лесосплавных и лесозаготовительных предприятий, в частности, в технологию зимней береговой сплотки на затопляемых плотбищах.

8. Себестоимость транспортировки технологической щепы в большегрузных плавучих контейнерах для различных производственных и путевых условий и применяемых типов судов составляет от 11,70 до 17.35 руб/куб.м на 100 км пути.

1. Азовцев А.И., Друзъ Б.И. и др. Результаты мореходных испытаний мягкой буксирной емкости. - Научные труды Тихоокеанского бассейнового управления НТО ВТ и ВВИМУ, 1966, вып.1, с. 100-106.

2. Алферьев М.Я. Теория корабля. -М: Транспорт, 1972.

3. Алябьев В.И. Оптимизация производственных процессов на лесозаготовках. -: Лесн. Пром-сть, 1977.- 232 с.

4. Аршава A.M. Гибкие оболочки новый вид транспортных судов. - М.: Морской транспорт, 1958. - 24 с.

5. Басин A.M., Анфимов В.Н. Гидродинамика судна. Л.: Речной транспорт, 1961.-683 с.

6. Басин А.М и др. Гидродинамика судов на мелководье. Л.: Судостроение, 1976.-319 с.

7. Бест Генри Н. Эластичные баржи. «Дракон». (Резюме), 1962. 4 с.

8. Будыко С.Х., Красник М.Г., Ранинчук С.Ф. О составляющих общего сопротивления воды движению плотов. Лесной журнал, 1972, с. 16-57.

9. Буксировочная система гравитационного типа: Техническое описание. Л.: ЛТА, 1983

10. Ведомственные нормы выработки и расценки на работы с применением новых машин и технологии. Химки: ЦНИИМЭ, 1987. - 10 с.11 .Войткунский Я.И. Сопротивление воды движению судов. Л.: Судостроение, 1964. -412 с.

11. А.Головин М. И., Самодов А. И., Филиппов Л. Н. Плавучий цех по выработке технологической щепы. М.: Лесная промышленность, 1984, № 7.

12. Голод Б.И., Кошевой A.JI. Эластичные емкости для транспортировки и хранения жидких грузов. Л.: Судпромгиз, 1963. - 91 с.1 в.Друзъ Б.И., Зубков Г.С. Стотонная плавучая емкость. М.: Бюллетень технико-экономической информации ММФ, 1961, № 2. - с.29-38.

13. Единые нормы выработки и расценки на лесосплавные работы. М.: НИИ труда, 1981.- 148 с.

14. Измерители работы судов на лесосплаве. Л.: ЦНИИ лесосплава, 1986. -95с.

15. Карпачев С.П. Транспорт технологической щепы по воде в мягких контейнерах. Дисс. канд. техн. наук. - 1985. - 178 л.21 .Карпачев С.П. Плавучие контейнеры для щепы. Лесная промышленность, № 7, 1984.-с. 32.

16. Карпачев С.П. Натурные исследования загрязнения технологической щепы при сплаве ее в водопроницаемых контейнерах. Рук. Деп. во ВНИПИЭИлеспром, № 1340 лб, 1984. 5 с.

17. Карпачев С.П., Комяков А.Н. и др. Транспорт щепы по воде в мягких плавучих контейнерах: Обзорн. информ. М.: ВНИПИЭИлеспром, 1986. 36с.

18. Карташов Э.М. и Любое Б.Я.- Изв. АН СССР, серия "Энергетика и транспорт, 1974, № 6, с. 83.

19. Карташов Э.М.- Аналитические методы в теории теплопроводности твердых тел.- М.: "Высшая школа", 1985

20. Кирпичев М.В. Теория подобия. -М.: АН СССР, 1953. 94 с.

21. Ъ2.Комяков А.Н. Экспериментальные исследования сопротивления воды движению контейнерных плотов для сплава измельченной древесины. -Научные труды, вып. 177. М.: МЛТИ, 1986. - с. 77-86.

22. Комяков А.Н. О движении границы таяния льда в контейнере с замороженной щепой. Сборник научных трудов, вып. 311. -М.: МГУЛ, 2001.

23. Ъв.Комякое А.Н. О теплопроводности дисперсных материалов типа замороженной древесной щепы. Сборник научных трудов, вып. 311. -М.: МГУЛ, 2001.

24. Кузьмин Н.И., Михайлов Ф.И. Эластичные контейнеры для жидких грузов. -Механизация и автоматизация производства, 1959, № 3, с. 61-63.

25. Кушелев В.В. и др. Эластичные емкости. Судостроение, 1960, № 1, с. 74-76.

26. Липман Д.Н., Толстоногое Э.Ю. Совершенствование погрузки леса в морские суда. Обзорная информация. ВНИПИЭИлеспром, 1986. - 37 с. (Лесоэксплуатация и лесосплав, вып.7)

27. Любое Б.Я.- Теория кристаллизации в больших объемах. М.: "Наука", 1975

28. Магула В.Э., Друзъ Б.К, Кулагин В.Д. Судовые мягкие емкости. М.: Судостроение, 1966. - 287 с.

29. Магула Н.Э. Судовые эластичные конструкции. Л.: Судостроение, 1978. -264 с.

30. Матюнин В.Я. и др. Экономика производства технологической щепы различного назначения. Труды ЦНИИМЭ, Химки, 1978. - с. 27-38.

31. Методика определения экономической эффективности использования в лесозаготовительной промышленности и на лесосплаве новой техники, изобретений и рационализаторских предложений. ВНИПИЭИлеспром, ЦНИИМЭ, ЦНИИлесосплава. - М.: 1979. - 338 с.

32. Методика расчета гидродинамических характеристик хлыстовых плотов при равномерном и неравномерном движении: Отчет. Л.: ЛТА, 1980.

33. Овчинников М.М., Дьяченко В.Г., Кузин A.A. Влияние глубины и ширины судового хода на сопротивление движению хлыстовых плотов. Л.: ЛТА, 1983. - 8 с. Деп. во ВНИПИЭИлеспрома №1029.

34. Овчинников М.М. Транспортные характеристики пучковых плотов: Учебное пособие. Л.: ЛТА, 1985. 80 с.

35. Организация и эксплуатация лесосплавного флота: Справ. Изд. / Под ред. Ю.Н.Борис овца. -М.: Лесн. Пром-сть, 1980. -248с.

36. Павленко Т.Е. Сопротивление воды движению судов. М.: Водтрансиздат, 1953

37. Перевозка щепы / А.Н.Ливанов, М.М.Солодухин и др. М.: Лесн. Пром-сть, 1980.-208 с.

38. Пижурин A.A., Розенблит М.С. Исследование процессов деревообработки. -М: Лесн. Пром-сть, 1984. 232 с.64Лижурин A.A. Оптимизация технологических процессов деревообработки. -М.: Лесн. Пром-сть, 1984.-312 с.

39. Пименов А.Н., Манухин Г.А. Механизация лесосплавных работ и флот. М.: Лесн. Пром-сть, 1959. - 412 с.

40. Х.Пименов А.Н. и др. Отчет по госбюджетной научно-исследовательской теме «Транспорт технологической щепы в контейнерах сплавом (промежуточный)». М., 1985. - 13 с. МВиССО СССР, Гл. Упр. Вузами, МЛТИ)

41. Плавучие эластичные емкости для транспортировки нефтепродуктов: /Вопросы прочности и гидродинамики. Теория и методы расчета. /Кронинг С.Д., Павлинова Е.С., Филлипео М.В., Шмаков B.C., Штурмпф В.М. Л.: Судостроение, 1965. - 223 с.

42. Родионов П.М. Метод подобия и его применение к решению задач лесосплава. Учебное пособие. Л.: ЛТА, 1982. - 84 с.

43. Рушнов Н.П., Пряхин Е.А. Переработка древесины на щепу на нижних складах леспромхозов. Обзорная информ. - М.: ВНИПИЭИлеспром, 1985. -48 с.

44. Седов Л.И. Методы подобия и размерностей в механике. М.: Наука, 1967. - 428 с.1%.Солодухин М.М., Овчинников М.М. Водный транспорт хлыстов. М.: Лесн. Пром-сть, 1986. - 144 с.

45. Союзов A.A. Организация грузовых и пассажирских перевозок на речном транспорте. М.: Изд-во МРФ СССР, 1946. - 392 с.

46. Справочник по водному транспорту / Под ред. В.А.Щербакова. М.: Лесн. Пром-сть, 1986.-384 с.

47. Справочник по теории корабля. / Под ред. Я.И.Войткунского. Л.: Судостроение, 1985

48. Татаринов В.П. Пути рационального использования лесных ресурсов: Обзорная информация. М.: ВНИПИЭМлеспром, 1986. - 60 с.

49. Тихонов А.Н., Самарский A.A.- Уравнения математической физики. М.: "Наука", 1972

50. Транспорт леса в плотах: Сборник статей / Редкол.: В.А.Щербаков (отв. ред.) и др. М.: Лесн. Пром-сть, 1985. -10 с.

51. Угрюмое В.К, Большаков Н.И., Долгобородов Г.И. Влияние водного транспорта технологической щепы в эластичных контейнерах на качество целлюлозы. -М.: Рук. Деп. во ВНИПИЭИлеспром, № 1523 лб, 1985. 10 с.

52. Угрюмое В.И. Обоснование и разработка способа обеспечения плавучести и сохранения качества технологической щепы при сплаве ее в контейнерах. -Дисс. канд. техн. наук. Л., 1985. - 198 л.

53. Фергин В.Р. Методы оптимизации в лесопильно-деревообрабатывающем производстве. М.: Лесн. Пром-сть, 1975. - 216 с.

54. Фомкинский Л.И. Методика тяговых расчетов при обосновании судов речного типа. Труды ЦНИИЭВТа, 1972, вып. 86, 184 с.

55. Ханш H.A. Исследование некоторых вопросов сопротивления воды движению плотов и их управляемости при ветре. Труды ЦНИИЭВТа, 1958, вып. 16.

56. Шелгунов Ю.В., Кутуков Г.М., Лебедев Н.И. Технология и оборудование лесопромышленных предприятий. М.: МГУ леса, 1997. - 590 с.

57. Авт. свид. 874545 (СССР). Способ формирования лесосплавного пучка / ЛТА им. С.М.Кирова: авт. изобр. В.Е.Кособрюхов, В.И.Патякин, И.С.Рудаков. Опубл. В Б.И., 1981, №

58. Авт. свид. 921991 (СССР). Контейнер / ЛТА им. С.М.Кирова: авт. изобр. А.Н.Полехин, О.А.Оношко, В.С.Плохое, В.И.Патякин. Заявл. 11.07.80. Опубл. В Б.И., 1982, №

59. Авт. свид. 1036645 (СССР). Способ формирования лесосплавного пучка из мелких древесных частиц/ МЛТИ: авт. изобр. А.Н.Пименов, С.М.Иванов, С.П.Карпачев. Заявл. 05.04.82. Опубл. В Б.И, 1983, № 31.

60. Авт. свид. 1193083 (СССР). Плот для лесосплава / СибТИ: авт. изобр. Ю.ИРябоконь, О.А.Оношко. Заявл. 06.12.82. Опубл. В Б.И., 1985, № 43.

61. Комяков А.Н., Шевелев ИЛ. Способ формирования транспортной единицы для транспортировки грузов по воде: Пат. Россия № 2152456. Заявл. 03.02.2000. Опубл.27.07.2000. №2000102459/28.

62. Комяков А.Н, Шевелев И.Л. Новая технология доставки измельченных древесных материалов в мягких большегрузных плавучих контейнерах. -Лесопользование и воспроизводство лесных ресурсов. Сборник научных трудов, вып. 311.-М.: МГУЛ, 2001.

63. Шевелев И.Л. Сопротивление воды движению большегрузных плавучих контейнеров с прямоугольными очертаниями корпуса. Лесопользование и воспроизводство лесных ресурсов. Сборник научных трудов, вып. 311. -М.: МГУЛ, 2001.

64. Шевелев И.Л., Комяков А.К Остойчивость большегрузного контейнера с замороженной древесной щепой. Лесопользование и воспроизводство лесных ресурсов. Сборник научных трудов, вып. 311. -М.: МГУЛ, 2001.

65. Комяков А.Н., Лозовецкий В.В., Лукьянов А.А., Шевелев И.Л. Новая технология доставки измельченных древесных материалов в мягких большегрузных плавучих контейнерах. ВИНИТИ. Транспорт: наука, техника, управление, 2000, №10, с.39-41.

66. Комяков А.Н., Шевелев И.Л. Способ формирования транспортной единицы для транспортировки грузов по воде: Пат. Россия № 2152456. ВИНИТИ. Транспорт: наука, техника, управление, 2000, №12, с.ЗЗ.

67. Российским агентством по патентам и товарным знакам на основании Патентного закона Российской Федерации, введенного в действие 14 октября 1992 года, выдам настоящий патент на изобретение

68. СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ ТРАНСПОРТНОЙ ЕДИНИЦЫ ДЛЯ ТРАНСПОРТИРОВКИ ГРУЗОВ ПО ВОДЕ1. Пагентообл адатель(ли):

69. Хомяков сДлексеЖ Николаева,1. Шевелев Мго^ь ЛвоиндоШ,по заявке № 2000102459, дата поступления: 03.02.2000 Приоритет от 03.02.2000 Авгор(ы) изобретения:

70. Комяков оДжксей 'Николаевич ЯМевелев Мго^ъ Леопидови1

71. Патент действует на всей территории: -Российской Федерации в течение 20 лет с 3 февраля 2000 г. при условии своевременной уплаты : пошлины за поддержание патента в силе

72. Зарегистрирован в Государственном, реестре изобретений Российской Федерации ^1. Москва. 27 июля 2000 г.•/Губ/л /л//ш