автореферат диссертации по технологии, машинам и оборудованию лесозаготовок, лесного хозяйства, деревопереработки и химической переработки биомассы дерева, 05.21.01, диссертация на тему:Обоснование применения обвязок пучков из резино-тканевого материала

РГ6 од

- В ДЕК ml На правах рукописи

БОРИСОВЕЦ Юрий Львович

ОБОСНОВАНИЕ ПРИМЕНЕНИЯ ОБВЯЗОК ПУЧКОВ ИЗ РЕЗИНО-ТКАНЕВОГО МАТЕРИАЛА

05.21.01. «Технология и машины лесного хозяйства н лесозаготовок.»

/

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук.

Санкт—Петербург — 1997г.

На правах рукописи

БОРИСОВЕЦ Юрий Львович

ОБОСНОВАНИЕ ПРИМЕНЕНИЯ ОБВЯЗОК ПУЧКОВ ИЗ РЕЗИНО-ТКАНЕВОГО МАТЕРИАЛА

05.21.01. «Технология и машины лесного хозяйства и лесозаготовок.»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук.

Санкт-Петербург — 1997г.

Работа выполнена в Центральном научно —исследовательском институте лесосплава (ЦНИИлесосплава).

НАУЧНЫЙ РУКОВОДИТЕЛЬ - кандидат технических наук,

старший научный сотрудник Д.М.ШВАРЦ.

ОФИЦИАЛЬНЫЕ ОППОНЕНТЫ - доктор технических наук,

Санкт-Петербургской лесотехнической академии (Санкт-Петербург, Институтский нер., 5).

С диссертацией можно ознакомится в библиотеке лесотехнической академии.

профессор, академик РАЕН М.М. ОВЧИННИКОВ; кандидат технических наук, старший научный сотрудник, заслуженный работник лесной промышленности РСФСР П.А, ЩЕРБАКОВ.

ВЕДУЩЕЕ ПРЕДПРИЯТИЕ

АО Лесинвеег.

Защита диссертации состоится _

В /-'" часов на заседании диссертационного совета Д 063.50.01.

Автореферат разослан

А

1997г.

Ученый секретарь диссертационного совета дт.н., профессор

Г.М. АНИСИМОВ

-3-

Общая характеристика работы.

йшЩШзШШ^те&Ш- Одшш из видов технического оспащепия плотового лесосплава, определяющего его технологичность, качество сплоточно — формировочных работ и результаты силава древесины являются пучковые обвязки. В связи с тем, что существующие виды пучковых обвязок имеют ряд недостатков они остаются объектом исследовании поиска более целесообразного решения. Исследование возможности применения резино—тканевых материалов (РТМ) в качестве обвязок пучков представляет значительный интерес в связи с их высокой прочностью, сочетающейся с упругой дефор — лгадией, износоустойчивостью и возможности использования недорогих видов исходного материала. Учитывая свойства РТМ, приме — нение их в качестве обвязок пучков лесоматериалов позволит по — выспть качество пучков (основной сплоточной единицы плотового лесосплава), обеспечивая тем самым их большую ветро—волновую устойчивость, улучшить эргономику, уменьшить загрязненность водоемов, снизить стоимость обвязочного такелажа и тем самым повысит конкурентоспособность лесосплава с другими видами транспорта, леса.

Цель работы. Обоснование и разработка обвязок пучков ле — соматериалов из РТМ.

Метод проведения работы. Экспериментальное и теоретиче — ское исследование физико-технических свойств РТМ. Проверка результатов экспериментальных и теоретических исследований: в ходе натурных производственных испытаний пучковых обвязок при проплаве плотов с пучками, обвязанными обвязками из РТМ,

Научная новизна. Исследование возможности использования в качестве обвязки пучков нетрадиционного для лесной промышленности материала — РТМ проводится впервые и является новым в самой постановке. Элементы научной новизны просматриваются на всех этапах исследования:

■ в результате экспериментальных исследований получены физи — ко—механические свойства РТМ применительно к пучковым обвязкам;

■ в результате теоретических исследований получены математиче — ские зависимости связывающие параметры пучка и обвязки из РТМ;

■ в результате натурных испытаний подтверждены выводы эксие —

рименталышх и теоретических исследований, разработана тех — нология использования РТМ в качестве обвязок. Практическая ценность. Полученные в работе результаты и реко — мендации показали эффективность применения РТМ в качестве обвязок пучков лесоматериалов и дали возможность их расчета, проектирования и применения. Получен производственный опыт в реализации разработанной технологии обвязки пупков из РТМ и использования предложенных в работе технических средств по ее обеспечению. Исследование позволило разработать методику ин — женерных расчетов обвязок из РТМ.

Реализация работы. Применение РТМ в качестве пучковой обвязки было осуществлено при проплаве трех опытных плотов со 158 пучками с объемом древесины 2,5 тысячи м3 в 1989—91 гг объединением "Камлесосплав". Разработаны технические условия на изготовление обвязок из РТМ и Дополнения к Правилам (ТУ) сплотки и формирования плотов в Волжско—Камском бассейне, разработана методика расчета обвязок из РТМ.

Апробация работы. Результаты исследований отражены в от — четах отдела механизации рейдовых работ ЦНИИлесосплова по НИР 1939-91гг.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано три статьи и получено авторское свидетельство.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы и приложений. Работа изложена на 2Й9 страницах машинописного текста, иллюстрирована П таблицами, 28 рисунками, содержит 103 библиографических названий и 75 страниц приложений.

Содержание работы.

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы ее цели, дана характеристика выполненной работы, методы иссле — дований, научная новизна и практическая ценность.

I глава. Состояние вопроса и постановка задач исследований.

Исследования качества пучков лесоматериалов проводились рядом авторов. Накопленный по этому вопросу материал достаточно полно освещает требования к качеству пучков и разработанные пути их решения.

Существующие виды обвязок пучков имеют ряд недостатков. Наиболее рациональная конструкция обвязки должна наряду с вы —

сокой прочностью, способной обеспечить целостность сплоточной единицы в процессе сплава в сложных ветро—волновых условиях, иметь упругую деформацию. Упругая деформация позволяет за счет предварительного натяжения поддерживать усилия в обвязке большими чем распорные усилия пучка, даже после волнового уп — лотнения бревен, тем самым обеспечивая необходимый коэффици — еггт формы пучка (С). Исходя из предъявляемых требований к материалу обвязки наиболее перспективной представляется оценка РТМ поскольку высокая прочность в них сочетается с упругой деформацией, высокой износостойкостью и возможностью использо — вания недорогих видов исходного материала.

Для рекомендации РТМ в качестве материала обвязок пучков на лесосплаве, в ходе исследования необходимо:

■ экспериментально в лабораторных условиях определить физико-механические свойства РТМ;

Я разработать физико — математическую модель работы обвязки из РТМ и на ее основе определить математические зависимости между параметрами обвязки и пучка; О разработать осповы технологии и эксплуатации обвязки из РТМ: Я оцешпь технике — экономическую эффективность обвязки из РТМ;

■ провести натурные испытания обвязок пучков из РТМ.

II глава. Экспериментальные исследования.

Исследования неизвестных физико — механических свойств конвейерных лент проводилось в лабораторных условиях. Исследо — вание включает четыре основные эксперимента:

1. определение относительного удлинения и разрушающей нагруз — ки, возникающих при испытании конвейерной ленты на растяжение со скоростью 100±10мм/мин;

2. определение относительного удлинения и разрушающей нагруз — ки, возникающих при испытании конвейерной ленты на растяжение при длительной статической нагрузке;

3. определение остаточных деформаций возникающих при испытании конвейерной ленты на растяжение при длительной статической- нагрузке, а затем разгрузке ее с той же скоростью;

4. определение характера изменения напряжений во времени при испытании конвейерной ленты на растяжение при длительной статической нагрузке.

Все эксперименты проводились не с отдельными тяговыми про — кладками, а с образцами из целой конвейерной ленты марок 2 — 1200-4-100-3-1-Е и 2 —1200—3—ТК —100 —3 —1 —Б (с 4 и 3 тяговыми прокладками ГОСТ 20—85).

Влияние длительного воздействия воды на физико — механические свойства ленты исследовалось во втором и третьем эксперименте. Испьпывались две группы образцов "сухие" и "мокрые". "Мокрыми" названы образцы конвейерной ленты, которые в течение 90 суток до испытания находились в воде.

В результате первою эксперимента разрушающая нагрузка в среднем составила 106,1% от номинальной. При нагрузке до 30% от номинальной относительное удлинение растет до 8%. При даль — нейшем росте нагрузки до 75% от номинальной относительное удлинение увеличилось на 5%. При дальнейшем росте нагрузки на — блюдается резкое возрастание относительного удлинения с 12,5% до 35%.

В ходе проведения второго эксперимента было установлено, что при воздействии длительной статической нагрузки максималъ — ная. нагрузка (без разрыва) составляет 60% от номинальной нроч — ности конвейерной ленты. Максимальная нагрузка (без разрыва) ддя "мокрых" образцов конвейерной леты составила 0,93 подобной нагрузки для сухих образцов (0,55 от поминальной прочности). Анализ испытаний "сухих" и "мокрых" образцов показывает, что упругая деформация соответствует нагрузке в 35% номинальной прочности ( Рис.1 ).

В третьем эксперименте получены значения остаточных де — формаций при достижении, а потом снятии длительной статической нагрузки величиной 50; 25 и 15% от номинальной прочности конвейерной ленты.

Для исследования характера релаксационных процессов ис — пытайте подверглись две партии образцов лент ТК —100 с 3 и 4 тяговыми прокладками (Рис. 2).

Изменение напряжения в образцах на 98% происходит в те — чешш первых ияпи часов. За время текучести напряжение в образ — цах падает до 46 — 52%.

Глава III Теоретическое обоснование работы Были поставлены и решены следующих задачи:

■ вывод уравнений, описывающих релаксационные процессы в В%

25

20

15

10

5

О

О 5 10 15 20 25 30 35 40 45 5Р% сн

1. "Сухие11 образцы - нагрузка 3. "Мокрые" образцы - нагрузка . 2. "Сухие" образцы - разгрузка 4 "Мокрые" образцы- разгрузка

Рис. 1

lncrt 5.8 5.6 5.4 5.2 5,0 4.8

---- по формуле (7)

...... но формуле (11)

-по данным эксперимента

Рис. 2

обвязках из РТМ;

■ получение зависимостей, связывающих начальное значение "С" с физическими характеристиками материала обвязки и величиной предварительного натяжения;

■ получение уравнений, позволяющих получать необходимое "С".

Кривые релаксации напряжений (Рис, 2) использованы для изучения и моделирования поведения ленты в обвязке. Характерной их чертой является наличие двух существенно различных по типу зависимостей от времени областей яри К1п и 1>1Ц, На больших временах (1>У характер релаксации напряжений позволяет представить систему в виде элемента Максвелла с большой вязкостью (и, следовательно, большим временем релаксации). В этом случае зависимость 1по(Т) от I линейная с единственным временем релак—

1

сации % (1)

Поскольку характерное время напряжения на втором этапе значительно превышает длительность первого этапа т»^ , то можно приближенно считать, что напряжение в образце за время Мп дос — тигает предельного значения "сгп". Что позволяет представить систему на первом этапе релаксации, как обобщение известной рео — логической модели часто называемой телом Бингама, описываемое

-Л

уравнением с(1) - "Г - ~-а(1) (2)

где г|, С , Т— параметры эквивалентной динамической модели (Рис.3) Аналитически величина "Т" выражается,

т ъШ)а С

т'и0; - где®<о, о)

Подставив в уравнение (2) получим:

т,-а(Х) ^ Т0 (о(1)

сто сто ^ сто / ст0

(4)

0О ! ^ ад;

n

"ЛААЛЛ—

777777K775W7

Рис 3

Gí

Í

F EZZE

711

>

-ri

h?

11

n2

T

Рис 4

■rj - параметр вязкости, описывающий элемент с вязким

сопротивлением

G — параметр упругости;

Т— сила сопротивления сухого трения.

„последовательно можно в явном виде получить предельное значение напряжения в процессе релаксации:

1

>п

1-й

®0

Окончательно получаем вид искомой функции:

10.344

(6)

«о

905-

«0

а

(7)

Величина времени релаксации "х", характеризующая вязко — унрутие свойства системы, определяется по наклону функции (7) на начальном этапе изменения напряжения.

Расхождение теоретических и экспериментальных кривых на. первом этапе релаксации {К1п! свидетельствует о некоторой неадекватности предложенной модели реальной системе. Необходим поиск модели более точно отражающей вязко—упругое поведение реальной системы. Система (Рис. 4) приводит к уравнению:

То

имеющему решение

1

То

(8)

(9)

времена релаксации.

С С

где "Ч ~ — :1'> ~ — ^ 1 тц ' ** 112

Надо учесть, что ц«г2т. С1»С2. Истинное напряжение действующее в системе, связано с "<р" соотношением

1

— = ф1-а

(10)

Отсюда:

«О

_1 _!. Го XI хо

— г С1 • е 1 г с? ■ е * <т0 1 £

1

1-а

(И)

Выражение (11) в случае ~ Ит <г{1,сг0) =<гп

1

|'Т0 П-а

(121

Поскольку в процессе релаксации напряжений в обвязке их величина стремиться к предельному значению (<т„), то величина а,л может бить за счет предварительного натяжения обвязки (перед за— мыканием ее на пучке) больше напряжения, создаваемого распором бревен в пучке при Со-Величина распора бревен в пучке:

к-УГ ?д д

р1> -

(13)

ГДе: к— коэффициент пропорциональности; объем древесины в пучке: уг— плот-

ность древесины; ? — ускорение свободного падения; С— козффнциент формы пучка. Напряжение в обвязке:

1с Ш

сг„ >

■Гд-9

ю-и-Со '

ГДе: п- число обвязок 07- сечение обвязки

Площадь сечехшя обвязки можно определить к\Уудд к\¥уд-д

(14)

сой

<гп-п-Со

(15)

а

пС0

Как показали экспериментальные исследования адм1 не должна превышать 0.35огном. (предел упругих деформаций), где ст,,ом: — максимальная нагрузка без разрыва, определенная ГОСТ 20—85. С позиции максимального использования механических свойств мате — риала <т0—>пгном, т.е. гтг,=к3-стДОГ1, где к3— коэффициент запаса прочности, выключает динамичность равный 0,6 — 0,0. С учетом отме —

1

-12-

чештого предыдущая формула примет вид:

со______

1 (16)

-11 а*п'С0

Для определения относительного удлинения (е0) обвязки, вызванное предварительным ее натяжением получим зависимость:

I ^ <70 (т(И1-а ОД-сгиом ( То_^ 1-а , ъ

где Е — модуль упругости.

При уплотнении бревен в процессе сплава обвязки из РТМ сокращаются, т.е. ПРИ ¿1 ^'з- При этом

гаЛёсж - ап - С • Двсж -1] • Аёсж (18)

где т — обобщенная масса системы, в— модуль упругости при сжатии.

Решение уравнения имеет вид:

I.

' ,------- I)

/__

<т4г(0=Д8сж-а=(стШ1-<тпк)е х • сой -/у -1 • ! + пк, (19)

V

2т 4С-п

где ^ -" : У — > * ; л п ' 11 '

Экспериментально величина сокращения напряжения в лехпе Аа в диапазоне относительного удлинения сп от 9 до 3% составляет не более 8% сгцн. Конечное напряжение линейно зависит от сокращения ленты, т.е. работает пружина С. Исходя из сказанного, можно рассмотреть эволюцию пучка во время сплава.

При изменении (уменьшении) периметра пучка изменяется коэффициент формы "С", т.е. образовавшийся периметр равен

где Л — коэфф. укорочения периметра, пучка , С* — изменившийся коэфф. формы. Отсюда:

<•'А. -

(21)

Напряжение в обвязке, полученное после ее упругого сокращения

I 1

= Опн - еАссж = ®пн - (1+еоХ1 -

Сечение обвязки:

«> = -

к\Ууд-д

п> с

] I С§ )

0.2 ст

ном

( т0 , V. -л

\0,2Ош)М,'

т

(22)

(23)

При максимальном уплотнении бревен в пучке (1 —л) =0,018—0,03 или >.=0,982—0,970. Сравнивая величины "со", рассчитанные по формулам (16) и (23) выбираем большее.

При обвязке пучка резино—тканевой лентой без утяжки коэффициент формы пучка — С^ ,а 8] — удлинение обвязки пучка. Выражая составляющие формулы периметра сечения пучка через С{ и приравнивая к длине обвязки получаем выражение ,адя С\

£1 - к

1

(24)

< С1-4

Таким образом задаваясь С1 можно получить сечение обпязкн "<а"

к^-уд-д

«1-

Е-Е}-С}-п. '

Глава IV. Натурные исследования.

Натурные исследования обвязок из РТМ проводились в навигации 1989 и 1991 г.г. в процессе сплотки па воде на Керченском сплавном рейде и в ходе проплавов в условиях транзитного лесо — сплава на участке р. Камы и камского водохранилища от нос. Кер — чевскин до нижнего бьефа Камской ГЭС .

Сплотка пучка проводилась но общепринятой технологии, а технология обвязки с утяжкой и без угяжки разработана для обвя — зок из РТМ в ходе настоящей работы. Вместе с технологией разработаны: механизм для утяжки обвязки и несколько вариантов зам — ков лдя соединения концов ленты.

В ходе испытаний в производственных условиях было сформировано три опытных плота.

Результаты натурных испытаний подтвердили выводы экспериментальных и теоретических исследований. Критерием сравнения приняты величины коэффициента формы пучка "С" н относительная величина удлинения обвязки (таблица 1). Сравнение показывает, что расхождение расчетного значения коэффициента формы, пучка с результатами натурных испытаний не превышает 5,5%

Результаты натурных испытаний Таблица 1.

Вид утяжки обвязок Количество пучков под-лерптшвхся испытаниям Объем пучков, и3 Коэффициент формы пучка (срздпяя величина), С Относительное удлинение обвязки (средняя величина),

По данным испытаний Результ аты расчетов Различие, % По данным исныта КИЙ ?езуль таты расчетов Различив, %

Ручная 98 16,5-28,1 1.85 1.77 4.4 0.178 0.164 7.8

Рейкой Докукина 31 14,1-25,8 1.65 1.56 5.5 0.159 „ _ . 0.152 4.5

; УстрОй-| ством | угяжки 7.9 13,1-29,1 1.55 1,47 5.0 0.144 0.133 7 ■}

Во всех случаях в актах производственных испытаний межведомственными комиссиями делается основной вывод: резино—тканевые материалы типа конвейерной ленты пригодны и перспективны для

использования в качестве обвязок пучков круглых лесоматериалов.

Глава V Технико — экономическое обоснование целесообраз — ностп использования пыжовых обвязок из РТМ.

Экономический эффект определялся по разности приведенных затрат на единицу продукции. В расчете эффективность обвязок из РТМ рассматривалась по сравнению с обвязками из проволоки и ценными комплектами. Экономическая эффективность применения в качестве пучковых обвязок РТМ типа конвейерной ленты по сравнению с проволочными, обвязками составит 643000 рублей на 1000 м3. а по сравнению с цепными обвязками 800000 рублей на 1000 м3.

Таким образом обвязка пучков лентами из РТМ в 2 раза де — шевле, чем проволокой и в 2,5 раза дешевле, чем цепной обвязкой из расчета на 1 м3 сплачиваемых лесоматериалов.

Глава VI . Методика инженерных расчетов пучкс-вых обвязок

из РТМ.

В результате проведенных исследований разработаны мате — матические зависимости., устанавливающие связь между основными параметрами пучка и его обвязок на различных этапах эволюции

пучка. В методике приведены расчеты: определение параметров обвязки речного пучка без утяжки; определение параметров обвязки озерного пучка с утяжкой. Методика расчета сопровождается примерами расчета параметров обвязки: для озерного и речного пучка. Для укрупненных расчетов сечение обвязки рекомендуется определять по графику. Кроме того разработана программа для расчета на компьютере.

Выводы и рекомендации.

1. Установлено, что обвязки из РТМ могут эффективно применяться для обвязки озерных и речных пучков, успешно конкурируя с применяемыми видами обвязки.

2. В результате экспериментальных исследований получены еле — дующие физико — механические свойства РТМ при работе их в качестве обвязок пучков (режим ,длительной статической на — грузки):

Я максимальная допустимая нагрузка составляет 60% от номи—

-16-

нальной прочности, определяемой ГОСТ 20 — 85;

■ максимальная допустимая нагрузка для образцов, находив — шихся в воде, составляет 55% от номинальной прочности;

■ относительное удлинение обвязки при нагрузке от 10 до 25% от номинальной прочности составляет 6 — 15%;

■ остаточная деформация при нагрузке от 15 до 25% от номинальной прочности составляет 2—6%;

■ предел упругой деформации соответствует нагрузке, состав — лягощей 35% от номинальной прочности;

■ релаксация напряжения протекает в первые 5 часов и прак — тически завершается в течении суток..

3. Обосновано, что при релаксации напряжений в обвязке из РТМ их величина стремиться к некоторому предельному значению, которое может быть получено за счет предварительного натяжения обвязки.

4. Получены математические зависимости для определения параметров обвязки из РТМ для озерных и речных пучков на различных этапах сплава.

5. Разработана и проверена в ходе натурных исследовании технология обвязки пучков лентами из РТМ.

6. Разработаны технические условия на изготовление обвязок в производственных условиях (ТУ 30.60545—90).

7. Разработаны и испытаны в производственных условиях замки для соединения концов обвязки и устройство для утяжки обвязки.

8. Разработаны Дополнения к правилам (техническим условиям) по сплотке, формировке и проплаву сортиментных плотов из оп — латника на Волжско—Камском бассейне д.\я пучков с обвязками из РТМ.

9. Разработана методика инженерных расчетов обвязок из РТМ для озерных и речных пучков, включающая укрупненные расчеты по графикам и программу расчета а компьютере.

10. Определенна экономическая эффективность применения обвязок из РТМ г которая показывает, что применение РТМ в два раза снижает стоимость сплоточного такелажа по сравнению с про —

волокой и в 2,5 риза по сравнению с цепной обвязкой «из расчета па 1 м3 сплоченой древесины).

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих статьях и защищено авторским свидетельством:

1. Борисовец Ю.Л. Исследование обвязок для лесосплавных пучков из резино-тканевой ленты. Сборник материалов научно-технической конференции ЛТА. Л. 1991 г.

2. Борисовец Ю.А. Обвязки пучков из резино—тканевой ленты. Лесная промышленность №3., М., 1992 г.

3. Борисовец Ю.Л. Исследование обвязок пучков из резинотканевой ленты. Экономика и промышленность №11, М., 1997 г.

4. Авторское свидетельство № 1570943 (СССР) Устройство для обвязки предметов. (Борисовец Ю.Л. и др.) - Опубликовано в БИ , 1390 г., № 22.

Просим Ваши отзывы по автореферату обязательно в двух экземплярах с заверенными подписями направлять по адресу: 194018, Санкт-Петербург, Инстшутский пер., 5 . Лесотехническая академия , ученому секретарю.

Лицензия ЛР № 020578 от 04.07.97.

Подписано в печать с оригинал-макета 10.11.97. Формат 60x90 1/16. Бумага офсетная. Печать трафаретная. Уч.-изд. д. 1,0. Печ. л. 1,0. Тираж 80 экз. Заказ № 199. С13а.

Санкт-Петербургская государственная лесотехническая академия Издательско-полиграфический отдел ЛТА 194021, Санкт-Петербург, Институтский пер., 3