автореферат диссертации по технологии, машинам и оборудованию лесозаготовок, лесного хозяйства, деревопереработки и химической переработки биомассы дерева, 05.21.01, диссертация на тему:Повышение эффективности и экологической безопасности плотового сплава лесоматериалов

На правах рукописи

Васильев Владимир Викторович

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ И ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ПЛОТОВОГО СПЛАВА ЛЕСОМАТЕРИАЛОВ

05.21.01 - Технология и машины лесозаготовок и лесного хозяйства

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 и 0К Г 2013

Воронеж-2013

005534561

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Воронежская государственная лесотехническая академия» (ФГБОУ ВПО «ВГЛТА»).

Научный руководитель

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Афоничев Дмитрий Николаевич

доктор технических наук, профессор Войтко Петр Филиппович

Ведущая организация

доктор технических наук, профессор Карпачев Сергей Петрович

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Ухтинский государственный технический университет»

Защита состоится 25 октября 2013 г. в 15 часов 00 минут на заседании диссертационного совета Д 212.034.02, созданного на базе Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Воронежская государственная лесотехническая академия» (394087, г. Воронеж, ул. Тимирязева, д. 8, ауд. 146).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «ВГЛТА».

Автореферат разослан 24 сентября 2013 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.034.02

Платонов А. Д.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность исследования. Поставка лесоматериалов потребителям по водным путям является наиболее экономически выгодным видом транспорта и, как правило, единственным в местах с плохо развитой сетью автомобильных и железнодорожных путей. Экономичность его заключается в отсутствии необходимости строительства искусственных путей, так как эксплуатируются естественные водные пути, использовании силы движения воды в русле реки и транспортировке большого объёма груза с применением минимального количества технических средств. Несмотря на ряд преимуществ рассматриваемого вида транспорта, в настоящее время, объём транспортировки лесоматериалов по водным путям России стал значительно меньше по сравнению с последним десятилетием двадцатого века. Основная причина уменьшения объёма сплава лесоматериалов заключается в негативном воздействии на экосистемы водоёмов: захламление русел топляком, дноуглубительные работы, нарушение береговой линии. Водный кодекс РФ (часть 2 статьи 48) запретил молевой сплав древесины, следствием чего является значительное снижение объёмов поставок лесоматериалов потребителям водным транспортом.

Известные и используемые лесотранспортные единицы (плоты, сплоточные единицы) имеют недостатки: большая осадка, нестабильный запас плавучести, которые не позволяют эффективно использовать пропускную способность сплавных путей и обеспечить экологическую безопасность сплава, а на малых и средних реках сплав существующих лесотранспортных единиц практических невозможен. Следовательно, для увеличения объёма сплава лесоматериалов по водным объектам страны необходимо совершенствовать конструкции сплоточных единиц и плотов на их основе с последующим их внедрением в производство. Одним из направлений совершенствования сплоточных единиц является стабилизация их плавучести, а также снижение осадки, при этом необходимо разработать конструкции плотов из сплоточных единиц стабилизированной плавучести с модернизированными системами управления, позволяющие обеспечить высокую эффективность использования указанных сплоточных единиц в различных условиях плавания с обеспечением экологической безопасности.

Необходимость освоения удалённых от путей транспорта лесных массивов, содержащих качественную древесину, требует использования для транспортировки лесоматериалов водных путей в виде малых и средних рек, сеть которых развита в лесных районах. Внедрение сплоточных единиц стабилизированной плавучести с малой осадкой, плотов, включающих данные сплоточные единицы и оснащённых усовершенствованными системами управления, позволит вовлечь малые и средние реки в процесс поставки лесоматериалов потребителям с минимальным воздействием на экосистемы указанных водоёмов, и тем самым обеспечить деревопереработчиков качественным и недорогим сырьём. Таким образом, тема диссертационной работы актуальна в современных условиях.

Диссертационная работа выполнена в рамках госбюджетной научно-исследовательской работы кафедры промышленного транспорта, строительства и геодезии Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Воронежская государственная лесотехническая академия» (ФГБОУ ВПО «ВГЛТА») по теме «Разработка энергосберегающих и экологически перспективных технологий транспорта леса» (номер государственной регистрации 01201168746).

Степень разработанности проблемы. Проблемой повышения эффективности плотового сплава лесоматериалов на реках с ограниченными габаритами сплавного хода, совершенствованием конструкций лесотранспортных единиц и систем управления плотами, экологической безопасностью водного транспорта занимались учёные: Ю. Я. Дмитриев, Д. Н. Липман, В. И. Патякин, М. М. Овчинников, А. А. Каму-син, А. А. Митрофанов, П. Ф. Войтко, С. П. Карпачев, А. Г. Поздеев, А. Н. Минаев, В. П. Корпачев, В. А. Барабанов, Г. Я. Суров, Н. И. Чубов, В. К. Курьянов, И. В. Четверикова, Д. Н. Афоничев, Н. Н. Папонов, Г. А. Куколевский, И. И. Приезжий, И. Г. Борисов, И. П. Донской, А. В. Прилуцкий, К. Б. Соколов, В. Я. Харитонов и другие. Их научные труды способствовали развитию методов расчёта лесотранспортных единиц, оценки их плавучести и осадки, теории движения лесотранспортных единиц, что является основой для разработки и эксплуатации сооружений, технических средств и процессов водного транспорта лесоматериалов. Анализ научных работ, специальной литературы, патентных источников позволил установить следующее: известные конструкции сплоточных единиц характеризуются значительной осадкой, которая возрастает в процессе сплава, а также имеют сложное конструктивное исполнение, усложняющее операции их сборки и разборки; в практике сплава в качестве такелажа практически не используются современные полимерные материалы, характеризующиеся водонепроницаемостью, высокой механической прочностью, небольшим удельным весом, технологичностью, долговечностью, а также малой стоимостью; нет научного обоснования применения полимерных материалов в конструкциях лесотранспортных единиц; не проводились исследования стабилизации плавучести сплоточных единиц и закономерностей движения плотов, содержащих такие сплоточные единицы; системы управления плотами характеризуются сложностью конструкции и малоэффективны.

Цель диссертационной работы: повысить эффективность и экологическую безопасность плотового сплава лесоматериалов путём снижения осадки и стабилизации плавучести сплоточных единиц и совершенствования систем управления плотами.

Задачи исследования:

- обосновать концепцию снижения осадки и стабилизации плавучести сплоточных единиц, усовершенствовать конструкции сплоточных единиц и разработать конструкцию плота, включающего сплоточные единицы стабилизированной плавучести;

- установить зависимости осадки сплоточной единицы стабилизированной плавучести, плота, включающего сплоточные единицы стабилизированной плавучести, от их конструктивных параметров и свойств используемых лесоматериалов;

- разработать математические модели движения плота, включающего сплоточные единицы стабилизированной плавучести, в различных условиях плавания;

- изучить закономерности изменения осадки сплоточных единиц от времени их нахождения в сплаве и определить интенсивность поглощения воды древесиной окорённых и неокорённых лесоматериалов;

- изучить процесс движения плота на криволинейных участках сплавного пути и усовершенствовать системы управления плотами.

Предмет и объект исследования. Предметом исследования являются математические модели плавания тел, движения плотов, взаимодействия элементов плота с водным потоком. Объекты исследования: сплоточные единицы, плоты, системы управления плотами.

Методологическая, теоретическая и эмпирическая база исследования. Теоретическое исследование произведено на основе методов математического моделирования,

классической механики, физики, аналитической геометрии. Лабораторный эксперимент поставлен на основе теории планирования эксперимента, для его проведения разработаны и изготовлены специальные ёмкости и физические модели сплоточных единиц. При проведении расчётов и обработке результатов эксперимента использовались современные ЭВМ, применялось программное обеспечение: Excel, Matlab, Delphi7 Lite Full Edition 7.3.4.3, а также прикладные программы собственной разработки.

Научные результаты, выносимые на защиту:

- аналитические зависимости осадки сплоточной единицы стабилизированной плавучести, плота, включающего сплоточные единицы стабилизированной плавучести, от их конструктивных параметров и свойств используемых лесоматериалов, позволяющие рассчитать допустимую глубину сплавного хода;

- математическая модель движения плота, включающего сплоточные единицы стабилизированной плавучести, позволяющая определить путь и продолжительность разгона и торможения, выбрать буксировщик;

- математическая модель движения плота на криволинейном участке реки, позволяющая обосновать допустимые для конкретных условий эксплуатации параметры плота и выбрать средства управления, обеспечивающие безаварийную проводку;

- закономерности изменения осадки физических моделей сплоточных единиц, выполненных из окорённых и неокорённых лесоматериалов, позволяющие оценить эффективность стабилизации плавучести и обосновать параметры плота, включающего сплоточные единицы стабилизированной плавучести;

- эксплуатационные показатели плота, включающего сплоточные единицы стабилизированной плавучести, позволяющие осуществлять его безопасную проводку по рекам с малыми глубинами.

Научная новизна результатов исследования:

- получены аналитические зависимости осадки и запаса плавучести сплоточной единицы стабилизированной плавучести от её конструктивных параметров и свойств используемых лесоматериалов, отличающиеся тем, что учитывают влияние коэффициента полнодревесности и формы сплоточной единицы, наличие в её конструкции лесоматериалов различной плавучести;

- получены аналитические зависимости осадки плота, включающего сплоточные единицы стабилизированной плавучести, от конструктивных параметров сплоточных единиц, образующих ряд, отличающиеся учётом влияния дополнительной выталкивающей силы, создаваемой внутренним пространством сплоточных единиц стабилизированной плавучести;

- разработана математическая модель движения плота, включающего сплоточные единицы стабилизированной плавучести, отличающаяся тем, что учитывает свойства сплоточных единиц стабилизированной плавучести и их долю от массы плота;

- предложена математическая модель движения плота на криволинейном участке реки, отличающаяся рассмотрением плота как нелинейной системы управления;

- установлены закономерности изменения осадки физических моделей сплоточных единиц, выполненных из окорённых и неокорённых лесоматериалов, отличающиеся учётом конструктивного исполнения сплоточных единиц стабилизированной плавучести.

Значение для теории. Аналитические зависимости осадки сплоточной единицы стабилизированной плавучести, плота, включающего сплоточные единицы стабилизированной плавучести, от их конструктивных параметров и свойств используемых лесоматериалов, математические модели движения плота позволяют рассчитать допустимую глубину сплавного хода, определить путь и продолжительность разгона и торможения плота,

выбрать буксировщик, обосновать допустимые для конкретных условий эксплуатации параметры плота и выбрать средства управления и дополняют теорию движения лесо-транспортных единиц. Установленные закономерности изменения осадки физических моделей сплоточных единиц, выполненных из окорённых и неокорённых лесоматериалов, характеризуют интенсивность водопоглощения лесоматериалами сплоточных единиц в процессе плавания и дополняют знания в области теории плавучести лесоматериалов.

Значение для практики. Усовершенствованные конструкции сплоточных единиц и плотов отличаются малой осадкой, высоким запасом плавучести, хорошей управляемостью, обеспечивают экологическую безопасность сплава, они могут применяться для сплава лесоматериалов, как по магистральным водным путям, так и по малым и средним рекам, что способствует увеличению объёмов поставок древесины потребителям водным транспортом, а также вводу в эксплуатацию удалённых от дорог лесных массивов. Разработанные программы для ЭВМ позволяют рассчитать конструктивные параметры и эксплуатационные показатели сплоточных единиц и плотов, что необходимо при организации сплава. Применение гибких водонепроницаемых материалов для обёртывания сплоточных единиц позволяет без капитальных вложений повысить эффективность и эколо-гичность сплава лесоматериалов и расширить его возможности.

Соответствие диссертации паспорту научной специальности. Полученные научные результаты соответствуют пунктам: 14 «Разработка инженерных методов и технических средств обеспечения экологической безопасности в лесопромышленном и лесохо-зяйственном производствах» и 15 «Обоснование схем транспортного освоения лесосырь-евых баз, поставки лесопродукции, выбора техники и способов строительства лесовозных дорог и инженерных сооружений» паспорта специальности 05.21.01 - Технология и машины лесозаготовок и лесного хозяйства.

Апробация и реализация результатов. Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались:

- на научных конференциях профессорско-преподавательского состава кафедры промышленного транспорта, строительства и геодезии ФГБОУ ВПО «ВГЛТА» в 20092013 годах;

- на международной научной конференции «Ресурсосберегающие и экологические перспективные технологии и машины лесного комплекса будущего» в ФГБОУ ВПО «ВГЛТА» в 2009 г.;

- на международной научной конференции «Социально-экономические аспекты инновационного развития систем в условиях возрастающей глобализации» в ФГБОУ ВПО «ВГЛТА» в 2010 г.;

- на XIII международной молодёжной научной конференции «Севергеоэкотех-2012» в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Ухтинский государственный технический университет» (ФГБОУ ВПО «УГГУ»);

- на научно-технической конференции преподавателей и сотрудников ФГБОУ ВПО «УГТУ» в 2012 г.;

- на десятой международной научно-технической конференции «актуальные проблемы развития лесного комплекса» в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Вологодский государственный технический университет» в 2012 г.

Результаты диссертационной работы внедрены: в ООО «ЛЕСНАЯ БИРЖА» (Республика Коми), ООО «ЛесПромХоз» (Республика Коми), ООО «Востсиблесосплав» (Иркутская область).

Результаты диссертационной работы используются в учебном процессе ФГБОУ ВПО «ВГЛТА», ФГБОУ ВПО «Ухтинский государственный технический университет», ФГБОУ ВПО «Северный (Арктический) федеральный университет имени М. В. Ломоносова» при подготовке инженеров по специальности 250401.65 «Лесоинженерное дело» бакалавров по направлению подготовки 250400.62 «Технология лесозаготовительных и деревоперерабатывающих производств», (профиль «Лесоинженерное дело»).

Публикации. Результаты диссертационной работы опубликованы в 26 научных статьях, из которых шесть - в изданиях, включённых в перечень российских рецензируемых научных журналов, в которых должны быть опубликованы основные научные результаты диссертаций. По результатам диссертационной работы получено: девять патентов на изобретения и два патента на полезные модели, пять свидетельств о государственной регистрации программ для ЭВМ.

Структура и объем диссертационной работы. Диссертация состоит из введения пяти разделов, включающих 37 рисунков и 14 таблиц, заключения, списка использованных источников, включающего 170 наименований, 22 приложения. Объём диссертации 259 страниц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении обоснована актуальность темы диссертации, отражена степень разработанности проблемы, представлены цель работы и задачи исследования, определены предмет и объекты, методологическая, теоретическая и эмпирическая база исследования, показаны научные результаты, выносимые на защиту, научная новизна результатов исследования, их значение для теории и практики, соответствие диссертации паспорту научной специальности, апробация и реализация результатов их опубликованность, структура и объем диссертационной работы.

В первой главе рассмотрены основные показатели эффективности плотового сплава лесоматериалов, где было установлено, что лучшими показателями обладают плоты, сформированные из плоских сплоточных единиц, характеризующихся малой осадкой и высоким коэффициентом полнодревесности.

Проведённый анализ существующих конструкций плотов и сплоточных единиц показал, что они имеют большую осадку и нестабильный запас плавучести, а также отрицательно влияют на экосистемы эксплуатируемых водных объектов. Следовательно, для повышения эффективности плотового сплава лесоматериалов и экологической безопасности эксплуатируемых водных объектов необходимо усовершенствовать сплоточные единицы и на их основе разрабатывать новые конструкции плотов.

Во втором разделе представлены усовершенствованные конструкции сплоточных единиц и разработанная конструкция плота на их основе, которые защищены патентами РФ на изобретение. Выполнены теоретические исследования закономерности формирования осадки представленных лесотранспортных единиц, а для плота построены математические модели разгона и торможения в неподвижной жидкости и в речном потоке и математическая модель движения на криволинейном участке реки Усовершенствованная сплоточная единица с малой осадкой и стабилизированным запасом плавучести защищена патентом на изобретение № 2381949 Малая осадка и стабилизированный запас плавучести достигаются тем, что сплоточная единица по дну и бортам обёртывается гибким водонепроницаемым материалом, кото-

рый не позволяет воде контактировать с древесиной, предотвращая её водонасыще-ние и заполнение пространства между лесоматериалами, уменьшая средневзвешенную плотность сплоточной единицы. В свою очередь, данная сплоточная единицы имеет сложную конструкцию, которая была упрощения. Новая упрощённая конструкция сплоточной единицы защищена патентом на изобретение № 2456200. Данная сплоточная единица после своей сборки может обёртываться гибким водонепроницаемым материалом и транспортироваться потребителю. Усовершенствованные сплоточные единицы являются экологически безопасными для эксплуатируемых водных объектов.

Осадка лесотранспортных единиц образуется за счёт их габаритов, стабилизации плавучести, плотности круглых лесоматериалов и коэффициента полнодревесно-сти. Осадка сплоточной единицы, обёрнутой в гибкий водонепроницаемый материал, (сплоточной единицы стабилизированной плавучести) с течением времени не изменяется, а осадка сплоточной единицы, не обёрнутой в гибкий материал с течением времени увеличивается. При этом с уменьшением коэффициента полнодревесности сплоточной единицы стабилизированной плавучести её осадка уменьшается.

На основе усовершенствованных сплоточных единиц разработана новая конструкция плота, которая защищена патентом на изобретение № 2475408, отличающаяся малой осадкой, высокими транспортно-эксплуатационными показателями и сниженным отрицательным влиянием на экосистемы эксплуатируемых водных объектов. Проведённые теоретические исследования закономерности формирования осадки плота показали, что осадка в первую очередь зависит от осадки сплоточных единиц и доли в конструкции плота сплоточных единиц стабилизированной плавучести. Чем больше в ряду сплоточных единиц стабилизированной плавучести, тем меньше осадка ряда и соответственно плота в целом. В свою очередь, чем больше сплоточных единиц обычной конструкции, тем осадка выше.

В виду того, что в конструкции усовершенствованного плота сплоточные единицы стабилизированной плавучести составляют половину от всех сплоточных единиц, из которых сформирован плот, то для повышения эффективности плотового сплава были усовершенствованы конструкции сплоточных единиц (патенты на изобретение: № 2453466, № 2456199, № 2460679).

Построение математических моделей разгона и торможения плота в неподвижной жидкости и в речном потоке, а также математической модели движения плота на криволинейном участке реки, осуществлялось на основе общих дифференциальных уравнений движения лесотранспортной единицы в жидкости. Математическая модель разгона плота в неподвижной жидкости и в речном потоке выражена нелинеи-

( ( \ \

V

МДПск + МДПох \ + п.+пг- V,

\ ^ р) /

[МДПск + МДПок(1 + й))^ = ге (Уя - V)2 + Я,;

М

ДПск

-м

ДПок

1 +

(1)

(2)

где МДПск, МДПок- масса древесины, коры, такелажа и дополнительного оснащения в части плота со сплоточными единицами соответственно стабилизированной плавуче-

ста и обычной конструкции, кг; и,, и2 - параметры эмпирической формулы; V -техническая скорость плота, м/с; ур - скорость равномерного движения, которую достигает плот в конце разгона, м/с; гс - приведённое сопротивление плота, кг/м;

- постоянное усилие разгона, Н; Л, - сопротивление воздушной среды, Н; п - коэффициент нестационарности движения; V,, - скорость потока м/с; /^ = 1гТр + ± ; Я,

- сила влечения плота от уклона, Н.

Для торможения плота в неподвижной жидкости и в речном потоке, математическая модель представлена нелинейными дифференциальными уравнениями соответственно

{Мапск + МДПок(1 + п))^ = -гу2 -^ ±Д.; (3)

{Мдпск + Мшш (1 + й))^ = -гс ( у- уя )2 - Я,;

УЬ (4)

! \2 о

х - ''

где Ь\т - постоянное усилие торможения, Н; = ИТт - ±

Математическая модель движения плота на криволинейном участке реки имеет более сложную структуру и описывается рядом дифференциальных уравнений

+ Мток(1 + -п))ах = ; (МДПск + МД1Ш(1 + п))аг = £1 1гщ = ±F / (5)

Ы1 *=1

где ах, аг- мгновенное ускорение плота относительно координаты соответственно х и м/с2; , — присутствующая сила при перемещении соответственно на 8Х и 8 , Н; 1г - момент инерции тела относительно мгновенной оси, проходящей через центр инерции, кг-м2; е - угловое ускорение плота относительно мгновенной оси вращения срг, рад/с2; F) ^ - присутствующая сила при перемещении на 8^, Н; 1С к -плечо силы, м.

Представленные нелинейные дифференциальные уравнения и построенные на их основе полноценные математические модели, охватывают все конструктивные особенности разработанного плота и могут использоваться при определении времени, пути для разгона и торможения плота в жидкости, а также необходимых дополнительных средств управления при проводке плота по криволинейному участку реки.

Для повышения эффективности управления плотами усовершенствованы конструкции тормозных систем, которые защищены патентами на изобретения: № 2418711, № 2457979, № 2487046.

В третьей главе изложены программа и методика экспериментальных исследований по изучению интенсивности изменения осадки сплоточных единиц с течением времени и коэффициента их полнодревесности, а также представлены планы проведения работ, созданные на основании планирования эксперимента. Изучение закономерности изменения осадки выполнено для сплоточной единицы, созданной согласно патенту № 2456200. Эксперимент проводился на физических моделях в масштабе 1:10. Было изготовлено четыре модели из сосны обыкновенной, две из которых собирались из окорённых круглых лесоматериалов, а остальные - из лесомате-

МДПс,+МДПоК

1 + «1+«2(у„-у) Ж

риалов в коре. Модели сплоточных единиц представлены на рисунке 1. Изготовленные модели спускались на воду, где измерялась их осадка на протяжении установленного времени. Причём две сплоточные единицы, изготовленные из окорённых и неокорённых круглых лесоматериалов, спускались на воду сразу после сборки, а соответственно остальные, после предварительной атмосферной сушки. Все экспериментальные данные изменения осадки моделей с течением времени заносились в специальные таблицы.

Для определения коэффициента полнодревесности лесотранспортных единиц, были изготовлены четыре сплоточные единицы по патенту № 2456200 с натуральными габаритами из сосны обыкновенной. Две сплоточные единицы собирались из окорённых круглых лесоматериалов и лесоматериалов в коре нижнего порога диаметров, а остальные две соответственно - верхнего порога диаметров.

а) б)

из лесоматериалов в коре; б - из окорённых лесоматериалов Рисунок 1 - Модели сплоточных единиц

В четвертой главе приведены результаты экспериментальных исследований. Проведённые экспериментальные исследования по изучению интенсивности изменения осадки сплоточных единиц от времени нахождения их в жидкости, показали следующие результаты. При спуске на воду моделей сплоточных единиц без предварительной атмосферной сушки они затонули в течение суток. Модели сплоточных единиц, прошедших атмосферную сушку продержались на плаву в течение 60 суток. На основе полученных экспериментальных данных был построены графики изменения осадки с течением времени (рисунок 2): первая кривая характеризует закономерность изменения осадки модели сплоточной едини-

20.00 19.50 19.00 18.50 18,00 17,50 17,00 16.50 £ 16.00 „ 15.50 Э 15.00 Я 14.50 5 14-00

о 4.50 13.00 12_Ч1

1:.оо

11.50 11.00 10,50 10.00 9,50

20 25 30 35 40 45 Количество дней

Рисунок 2 - Графики изменения осадки моделей сплоточных единиц с течением времени

цы из лесоматериалов в коре, а вторая - характеризует изменение осадки модели сплоточной единицы из окорённых лесоматериалов. Из графиков видно, что в первоначальный момент времени осадка наблюдаемых моделей изменяется наиболее интенсивно в течение 10 суток после спуска на воду, причём первоначальная осадка модели сплоточной единицы, собранной из круглых лесоматериалов в коре больше, чем у модели, выполненной из окорённых круглых лесоматериалов, на 56,78 %. После 10 суток интенсивность изменения осадки равномерно уменьшалась, но у модели, изготовленной из окорённых круглых лесоматериалов, по истечению 40 дней резко начала увеличиваться, а затем снова стабилизировалась, по причине контакта верхнего ряда круглых лесоматериалов с жидкостью.

При выполнении экспериментальных работ по определению коэффициента полнодревесности сплоточных единиц были получены данные, с помощью которых построены графики зависимости коэффициента полнодревесности сплоточных единиц от вида и диаметра применяемых круглых лесоматериалов (рисунок 3): первая прямолинейная зависимость отражает изменение коэффициента полнодревесности сплоточной единицы, собранной из лесоматериалов в коре, без учёта объёма коры;

вторая - изменение коэффициента полнодревесности сплоточной единицы изготовленной из лесоматериалов в коре с учётом объёма коры; третья - изменение коэффициента полнодревесности сплоточной единицы, собранной из окорённых лесоматериалов. Из рисунка 3 видно, что наибольший коэффициент полнодревесности имеет сплоточная единица, собранная из окорённых лесоматериалов, а следовательно, и объём древесины находящейся в её геометрическом объёме будет максимальным.

Используя полученные экспериментальные данные интенсивности изменения осадки сплоточных единиц с течением времени и коэффициента их полнодревесности, была определена интенсивность поглощения жидкости древесиной. Согласно расчёту, наибольшую интенсивность поглощения жидкости имела модель сплоточной единицы, собранной из окорённых круглых лесоматериалов, а наименьшую -модель из лесоматериалов в коре.

При помощи разработанных компьютерных программ (свидетельства: № 2012613752, № 2012615592, № 2012617944,№ 2012618060, № 2013613974)с использованием экспериментальных данных выполнен анализ транспортно-эксплуатационных показателей основных видов сплоточных единиц и конструкций плотов. Установлено, что лучшими показателями обладают сплоточные единицы стабилизированной плавучести и плоты на их основе.

<>

а о.-« ■ О 0,75 2

X 0,74 ■ 5 0.73

Ч 0.66 О 0.65 0,64

£ о.бТ 5 0.® =г 0.55 1

-5, 0-57 X °-55 о ¡2 * 0.52 0.51 0.50 — — — —

20 2 3 26 29 3 2 3 5 3 8 41 44 47 50 53 56 59 62 65 68 71 74 77 80

Диаметр круглых лесоматериалов, см

Рисунок 3 - Графики изменения коэффициента полнодревесности сплоточных единиц

В пятой главе обоснованы техническая, технологическая, природоохранная и экономическая целесообразность использования усовершенствованных сплоточных единиц и плотов на их основе.

Годовой экономический эффект от замены базовых плотов на плоты с 50 % включением сплоточных единиц стабилизированной плавучести, при транспортировке 50 тыс.м лесоматериалов с корой на расстояние 300 км, составляет 5 млн. руб., а годовой экономический эффект от замены автомобильного и железнодорожного транспорта на плотовой сплав с применением сплоточных единиц стабилизированной плавучести при том же объёме транспортной работы составляет соответственно 69,6 млн. руб. и 38,1 млн. руб.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1 Анализ лесотранспортных единиц показал, что в настоящее время все существующие сплоточные единицы и плоты имеют общие недостатки: большая осадка, нестабильный запас плавучести, что не гарантирует экологической безопасности сплава лесоматериалов и снижает эффективность плотового сплава.

2 Снижение осадки сплоточных единиц и стабилизация их плавучести обеспечиваются обёртыванием их в гибкий водонепроницаемый материал, в результате чего свободные пространства между лесоматериалами, составляющими сплоточную единицу, остаются заполненными воздухом и создают дополнительный объём способствующий повышению выталкивающей силы. Такие сплоточные единицы имеют меньшую осадку по сравнению с известными и отличаются её стабильностью в процессе плавания. Снижение осадки сплоточных единиц также обеспечивается использованием в их конструкциях лесоматериалов разной плавучести.

3 Величина осадки сплоточной единицы стабилизированной плавучести зависит от её коэффициента полнодревесности и формы, причём, чем ниже коэффициент полнодревесности, тем меньше осадка. Значение коэффициента полнодревесности сплоточной единицы зависит от диаметров лесоматериалов, из которых она собрана.

4 Разработанная конструкция плота, включающего сплоточные единицы стабилизированной плавучести, отличается малой осадкой и слабой интенсивностью её роста в процессе плавания, что способствует сохранности лесоматериалов и снижает негативное воздействие на экосистемы водоёмов. Теоретические исследования данного плота позволили установить зависимости для определения его осадки и дополнительной выталкивающей силы, создаваемой сплоточными единицами стабилизированной плавучести.

5 В результате анализа условий движения плотов в водном потоке и действующих при этом факторов разработана математическая модель движения плота, реализация которой позволяет установить путь и продолжительность разгона и торможения плота, необходимые для безопасной эксплуатации, а также выбрать буксировщик.

6 Математическая модель движения плота на криволинейном участке реки учитывает влияние свального течения и центробежной силы, позволяет определить параметры плота для конкретных условий плавания и выбрать средства управления плотом, обеспечивающие экологически безопасную проводку через криволинейные участки рек.

7 Проведённые экспериментальные исследования по изучению закономерности изменения осадки физических моделей сплоточных единиц, выполненных из круглых лесоматериалов сосны обыкновенной в коре и без коры, показали, что после

спуска на воду модели из круглых лесоматериалов без предварительной атмосферной сушки в течение суток затонули, а модели сплоточных единиц, изготовленные из круглых лесоматериалов после предварительной атмосферной сушки, продержались на плаву 60 суток. В первоначальный момент времени осадка модели из окорённых круглых лесоматериалов была меньше осадки модели из круглых лесоматериалов в коре на 36,22 %, а по окончанию эксперимента на 22,57 %, при этом наблюдалось наиболее интенсивное изменения осадки в течение первых 10 суток, а в сплоточной единице, изготовленной из окорённых лесоматериалов осадка после 40 суток начала резко увеличиваться с последующей стабилизацией по причине контакта верхнего ряда круглых лесоматериалов с жидкостью. Таким образом, сплоточные единицы не могут сплавляться без предварительной сушки или стабилизации плавучести.

8 Интенсивность поглощения воды древесиной в физических моделях сплоточных единиц, изготовленных из окорённых лесоматериалов, больше, чем в физических моделях сплоточных единиц, изготовленных из лесоматериалов в коре, причём на пятые сутки интенсивность поглощения жидкости у первой модели была больше чем у второй на 24 %, а по окончанию эксперимента на 73,33 %. Таким образом, сплоточные единицы стабилизированной плавучести могут эффективно использоваться для сплава окорённых лесоматериалов и пиломатериалов.

9 Моделирование плавания сплоточных единиц с помощью разработанной компьютерной программы позволило установить, что осадка сплоточных единиц стабилизированной плавучести при одинаковых физико-механических свойствах древесины и размерах круглых лесоматериалов, из которых изготовлены сплоточные единицы, меньше в среднем в 1,43 раза по сравнению с осадкой известных сплоточных единиц. Таким образом, сплоточные единицы стабилизированной плавучести могут использоваться для сплава по рекам с малыми глубинами.

10 Моделирование на ЭВМ движения плотов показало, что плот, включающий сплоточные единицы стабилизированной плавучести имеет осадку почти в 1,22 раза меньше, при этом путь и продолжительность его разгона и торможения меньше на 20 %, чем у базового плота. Указанные показатели эффективности соответствуют наличию в конструкции плота 50 % сплоточных единиц стабилизированной плавучести, при увеличении их доли показатели эффективности также возрастают.

11 Сплоточные единицы стабилизированной плавучести и плот на их основе, имеют пониженную осадку и высокий показатель коэффициента запаса плавучести, что снижает объёмы дноуглубительных работ, исключает утоп лесоматериалов, сокращает объём лесоматериалов контактирующих с водой, то есть снижается загрязнение воды дубильными веществами. Следовательно, применение на практике данных лесотранспортных единиц позволит уменьшить отрицательное воздействие на экосистемы эксплуатируемых водных объектов.

12 Экономический эффект от применения сплоточных единиц стабилизированной плавучести и плотов на их основе обеспечивается сокращением объёмов транспортной работы при вывозке лесоматериалов к магистральным сплавным путям и строительства дорог, снижением объёмов дноуглубительных работ, потерь лесоматериалов при сплаве, сокращением объёмов сушки лесоматериалов перед сплавом. Годовой экономический эффект от замены базовых плотов плотами, включающими сплоточные единицы стабилизированной плавучести, при транспортировке 50 тыс. м3 лесоматериалов с корой на расстояние 300 км составляет 5 млн. руб., а годовой экономический эффект от замены автомобильного и железнодорожного транспорта на плотовой сплав с применением сплоточных единиц стабилизированной плавучести при том же объёме транспортной работы составляет соответственно 69,6 млн. руб. и 38,1 млн. руб.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ Публикации в изданиях, включённых в перечень российских рецензируемых научных журналов

1 Афоничев Д. Н. Сплоточная единица стабилизированной плавучести [Текст] / Д. Н. Афоничев, Н. Н. Папонов, В. В. Васильев // Известия высших учебных заведений. Лесной журнал / С(А)ФУ. - Архангельск, 2010. - № 6. - С. 114-120.

2 Васильев, В. В. Обоснование инерционных характеристик плотов, содержащих плоские сплоточные единицы стабилизированной плавучести [Текст] / В. В. Васильев // Вестник МГУЛа - Лесной вестник / МГУЛ - М., 2012. - № 2. - С. 107-112.

3 Васильев В. В. Эксплуатационные показатели сплоточной единицы стабилизированной плавучести [Текст] / В. В. Васильев // Учёные записки Петрозаводского государственного университета / ПетрГУ. - Петрозаводск, 2011. -№ 8. - С. 100-102.

4 Афоничев Д. Н. Совершенствование конструкции плота для сплава древесины по рекам с малыми глубинами [Текст] / Д. Н. Афоничев, В. В. Васильев, Н. Н. Папонов // Политематический сетевой электронный научный журнал Кубанского государственного аграрного университета (Научный журнал КубГАУ) [Электронный ресурс]. - Краснодар: КубГАУ, 2012. - №02(76). С. 274 - 283. - Шифр Информреги-стра: 0421200012\0129. - Режим доступа: http://ej.kubagro.ru/2012/02/pdf/22.pdf, 0,625 у.п.л.

5 Афоничев, Д. Н. Самотормозящийся плот с хвостовыми раздвижными секциями [Текст] / Д. Н. Афоничев, В. В. Васильев, Н. Н. Папонов / Учёные записки Петрозаводского государственного университета / ПетрГУ. - Петрозаводск, 2012. -№ 6. - С. 62-64.

6. Васильев, В. В. Изменение осадки плоской сплоточной единицы [Текст] / В. В. Васильев // Лесотехнический журнал / ВГЛТА. - Воронеж, 2013. - № 1 (9). - С. 78-86.

Публикации в научных журналах, сборниках научных трудов и материалах конференций

7 Афоничев, Д. Н. Обоснование эксплуатационных параметров самотормозящегося плота с кормовыми тормозными секциями в виде параллелограммов [Текст] / Д. Н. Афоничев, В. В. Васильев, Н. Н. Папонов // Ресурсосберегающие и экологические перспективные технологии и машины лесного комплекса будущего: матер, ме-ждунар. научной конф. / ВГЛТА. - Воронеж, 2009. - С. 232-237.

8 Штондин, А. А. Оценка экономического эффекта внедрения прогрессивных технических решений на лесосплаве [Текст] / А. А. Штондин, В. В. Васильев, Д. Н. Афоничев // Социально-экономические аспекты инновационного развития систем в условиях возрастающей глобализации: матер, междунар. научной конф. / ВГЛТА. -М.: изд-во Кно Рус, 2010. - С. 258-260.

9 Васильев, В. В. Выбор буксировщика для самотормозящихся плотов [Текст] / В. В. Васильев // Лесотехнический журнал / ВГЛТА. - Воронеж, 2011. - № 1 (1). - С. 100-103.

10 Васильев, В. В. Анализ факторов, определяющих эффективность плотового сплава древесины [Текст] / В. В. Васильев // Лесотехнический журнал / ВГЛТА. -Воронеж, 2011.- №3(3). -С. 71-80.

11 Афоничев Д.Н. Выбор гибкого водонепроницаемого материала для стабилизации плавучести сплоточных единиц [Текст] / Д. Н. Афоничев, Н. Н. Папонов, В. В. Васильев // Лесотехнический журнал / ВГЛТА. - Воронеж, 2011. - № 1 (1). - С 9599.

12 Васильев В. В. Определение осадки плота, содержащего сплоточные единицы стабилизированной плавучести [Текст] / В. В. Васильев // Лесотехнический журнал / ВГЛТА. - Воронеж, 2012. - № 2 (6). - С. 84-93.

13 Васильев В. В. Плотовой сплав лесоматериалов на реках с малыми глубинами [Текст] / В. В. Васильев / XIII Международная молодёжная научная конференция «Севергеоэкотех-2012»: матер, конф. в 6-х ч. Ч. 2 / УГТУ. - Ухта, 2013. - С. 162-164.

14 Васильев, В. В. Повышение эффективности плотового сплава лесоматериалов на реках с малыми глубинами [Текст] / В. В. Васильев, Н. Н. Папонов // Актуальные проблемы развития лесного комплекса: матер, десятой междунар. научно-технической конф. / ВоГТУ. — Вологда, 2013. - С. 44-47.

Патенты

15 Пат. 2381949 РФ, МПК В 63 В 35/62, 35/58. Сплоточная единица [Текст] / Д. Н. Афоничев, Н. Н. Папонов, В. В. Васильев; заявитель и патентообладатель ГОУ ВПО «Воронежская государственная лесотехническая академия». -№ 2008146180/11; заявл. 21.11.2008; опубл. 20.02.2010, Бюл. № 5.

16 Пат. 2418711 РФ, МПК В 63 В 35/62, 35/58, В 65 в 69/20. Плот [Текст] / Д. Н. Афоничев, В. В. Васильев, Н. Н. Папонов; заявитель и патентообладатель ГОУ ВПО «Воронежская государственная лесотехническая академия». -№ 2008139673/11; заявл. 06.10.2008; опубл. 20.05.2011, Бюл. № 14.

17 Пат. 2453466 РФ, МПК В 63 В 35/62. Сплоточная единица [Текст] / Д. Н. Афоничев, В. В. Васильев, Н. Н. Папонов; заявитель и патентообладатель ГОУ ВПО «Воронежская государственная лесотехническая академия». - № 2011108863/11; заявл. 09.03.2011; опубл. 20.06.2012, Бюл. № 17.

18 Пат. 2456199 РФ, МПК В 63 В 35/62. Сплоточная единица [Текст] / Д. Н. Афоничев, В. В. Васильев, Н. Н. Папонов; заявитель и патентообладатель ГОУ ВПО «Воронежская государственная лесотехническая академия». - № 2011107805/11; заявл. 28.02.2011; опубл. 20.07.2012, Бюл. № 20.

19 Пат. 2456200 РФ, МПК В 63 В 35/62. Сплоточная единица [Текст] / В. В. Васильев; заявитель и патентообладатель ГОУ ВПО «Воронежская государственная лесотехническая академия». - № 2011108194/11; заявл. 02.03.2011; опубл. 20.07.2012, Бюл. № 20.

20 Пат. 2457979 РФ, МПК В 63 Н 25/44. Гидродинамический тормоз для остановки плота [Текст] / В. В. Васильев, Д. Н. Афоничев, Н. Н. Папонов; заявитель и патентообладатель ГОУ ВПО «Воронежская государственная лесотехническая академия». -№ 2011108857/11; заявл. 09.03.2011; опубл. 10.08.2012, Бюл. № 22.

21 Пат. 2460679 РФ, МПК В 65 О 69/20, В 65 В 27/10. Плоская сплоточная единица [Текст] / В. В. Васильев, Д. Н. Афоничев; заявитель и патентообладатель ГОУ ВПО «Воронежская государственная лесотехническая академия». -№2011109353/13; заявл. 11.03.2011; опубл. 10.09.2012, Бюл. № 25.

22 Пат. 2475408 РФ, МПК В 63 В 35/62. Плот [Текст] / Д. Н. Афоничев, В. В. Васильев, Н. Н. Папонов; заявитель и патентообладатель ГОУ ВПО «Воронежская государственная лесотехническая академия». - № 2011140910/11; заявл. 07.10.2011; опубл. 20.02.2013, Бюл. № 5.

23 Пат. 2487046 РФ, МПК В 63 В 35/62. Плот [Текст] / Д. Н. Афоничев, В. В. Васильев, Н. Н. Папонов; заявитель и патентообладатель ГОУ ВПО «Воронежская государственная лесотехническая академия». -№ 2011150392/11; заявл. 09.12.2011; опубл. 10.07.2013, Бюл. № 19.

?/ч

Свидетельства о государственной регистрации программ для ЭВМ

24 Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ 2012613752 РФ. Программа расчёта осадки плоской сплоточной единицы [Текст] / В. В. Васильев, Н. Ю. Юдина, Д. Н. Афоничев; правообладатель ГОУ ВПО «Воронежская государственная лесотехническая академия». -№ 2012611383; заявл. 27.02.2012; зарег. 20.04.2012.

25 Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ 2012615592 РФ. Программа расчёта требуемых габаритов лесосплавного хода при сплаве плоских сплоточных единиц [Текст] / В. В. Васильев; правообладатель ГОУ ВПО «Воронежская государственная лесотехническая академия». - № 2012613559; заявл. 03.05.2012; зарег. 20.06.2012.

26 Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ 2012617944 РФ. Программа построения графиков зависимости осадки плоских сплоточных единиц от основных факторов, определяющих их сплавоспособность [Текст] / В. В. Васильев, Д. Н. Афоничев, H. Н. Папонов; правообладатель ГОУ ВПО «Воронежская государственная лесотехническая академия». - № 2012615734; заявл. 10.07.2012; зарег. 03.09.2012.

27 Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ 2012618060 РФ. Программа расчёта эксплуатационных показателей плотов, предназначенных для транспортировки по рекам с малыми глубинами [Текст] / В. В. Васильев, Д. Н. Афоничев, H. Н. Папонов; правообладатель ГОУ ВПО «Воронежская государственная лесотехническая академия». - № 2012615985; заявл. 16.07.2012; зарег. 07.09.2012.

28 Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ 2013613974 РФ. Программа расчёта инерционных показателей плотов, предназначенных для транспортировки по рекам с малыми глубинами [Текст] / В. В. Васильев, Д. Н. Афоничев, H. Н. Папонов; правообладатель ГОУ ВПО «Воронежская государственная лесотехническая академия». - № 2013611984; заявл. 12.03.2013; зарег. 22.04.2013.

Просим принять участие в работе диссертационного совета Д 212.034.02 или выслать Ваш отзыв на автореферат в двух экземплярах с заверенными подписями по адресу: 394087, г. Воронеж, ул. Тимирязева, д. 8, учёному секретарю. Телефон (473) 253-67-00, факс (473) 253-67-02.

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ И ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ПЛОТОВОГО СПЛАВА ЛЕСОМАТЕРИАЛОВ

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Подписано к печати Формат 60 х 90,1/16. Объем 1 пл. Тираж 100 экз. Заказ № 346 Отпечатано в УОП ФГБОУ ВПО «ВГЛТА». 394087, г. Воронеж, ул. Докучаева, 10.

Васильев Владимир Викторович

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ

ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ ВОРОНЕЖСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ ЛЕСОТЕХНИЧЕСКАЯ

АКАДЕМИЯ

04201 363363 На правах рукописи

Васильев Владимир Викторович

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ И ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ПЛОТОВОГО СПЛАВА ЛЕСОМАТЕРИАЛОВ

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание учёной степени кандидата технических наук

05.21.01 - Технология и машины лесозаготовок и лесного хозяйства

Научный руководитель доктор технических наук, профессор - Афоничев Д. Н.

Воронеж - 2013

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ......................................................................................5

1 Состояние проблемы повышения эффективности и экологической безопасности плотового сплава лесоматериалов....................................13

1.1 Основные показатели эффективности плотового сплава лесоматериалов............................................................................13

1.2 Анализ перспективных конструкций плотов.......................................24

1.3 Анализ конструкций сплоточных единиц...........................................33

1.4 Технологические процессы формирования и расформирования лесотранспортных единиц..............................................................45

1.5 Выводы, цель и задачи исследований................................................51

2 Теоретические исследования формирования осадки лесотранспортных единиц и инерционных характеристик плота................53

2.1 Закономерности формирования осадки усовершенствованных сплоточных единиц......................................................................53

2.2 Закономерность формирования осадки усовершенствованной конструкции плота........................................................................72

2.3 Дифференциальные уравнения движения плота...................................81

2.4 Математические модели разгона и торможения плота...........................91

2.4.1 Математическая модель разгона плота в неподвижной жидкости...........96

2.4.2 Математическая модель разгона плота в речном потоке......................98

2.4.3 Математическая модель торможения плота в неподвижной жидкости... 103

2.4.4 Математическая модель торможения плота в речном потоке...............105

2.5 Математическая модель движения плота на криволинейном участке

реки........................................................................................109

2.5 Выводы....................................................................................118

3 Методика экспериментального исследования сплоточных единиц............120

3.1 Задачи экспериментального исследования сплоточных единиц..............120

3.2 Методика экспериментального исследования изменения

осадки сплоточных единиц............................................................121

3.3 Методика экспериментального исследования по определению коэффициента полнодревесности сплоточных единиц.........................127

3.4 Планирование эксперимента..........................................................133

3.5 Выводы....................................................................................138

4 Результаты экспериментальных исследований и их обработка..................139

4.1 Результаты исследования изменения осадки сплоточных единиц

с течением времени и их обработка.................................................139

4.2 Результаты и обработка опытных данных по определению коэффициента полнодревесности сплоточных единиц.........................145

4.3 Определение интенсивности поглощения воды древесиной сплоточных единиц.....................................................................164

4.4 Влияние основных факторов на формирования осадки сплоточных единиц обычной конструкции и стабилизированной плавучести.............168

4.5 Влияние факторов, определяющих сплавоспособность сплоточных единиц на формирования осадки плотов, предназначенных для сплава по рекам с малыми глубинами...........................................................175

4.6 Инерционные показатели плотов, предназначенных для сплава

по рекам с малыми глубинами.......................................................180

4.7 Выводы....................................................................................185

5 Оценка эффективности применения усовершенствованных

сплоточных единиц и плотов на их основе..........................................188

5.1 Обоснование технической и технологической целесообразности применения усовершенствованных сплоточных единиц и плотов

на их основе..............................................................................188

5.2 Природоохранный эффект от использования усовершенствованных сплоточных единиц и плота..........................................................191

5.3 Обоснование экономической целесообразности использования усовершенствованных сплоточных единиц и плотов на их основе............193

5.4 Выводы....................................................................................210

ЗАКЛЮЧЕНИЕ..............................................................................212

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ.......................................216

ПРИЛОЖЕНИЕ А...........................................................................234

ПРИЛОЖЕНИЕ Б............................................................................235

ПРИЛОЖЕНИЕ В............................................................................236

ПРИЛОЖЕНИЕ Г............................................................................237

ПРИЛОЖЕНИЕ Д............................................................................238

ПРИЛОЖЕНИЕ Е............................................................................239

ПРИЛОЖЕНИЕ Ж...........................................................................240

ПРИЛОЖЕНИЕ И...........................................................................241

ПРИЛОЖЕНИЕ К............................................................................242

ПРИЛОЖЕНИЕ Л............................................................................243

ПРИЛОЖЕНИЕ М...........................................................................244

ПРИЛОЖЕНИЕ Н...........................................................................245

ПРИЛОЖЕНИЕ О...........................................................................246

ПРИЛОЖЕНИЕ П............................................................................247

ПРИЛОЖЕНИЕ Р............................................................................248

ПРИЛОЖЕНИЕ С............................................................................249

ПРИЛОЖЕНИЕ Т............................................................................250

ПРИЛОЖЕНИЕ У............................................................................252

ПРИЛОЖЕНИЕ Ф...........................................................................254

ПРИЛОЖЕНИЕ X...........................................................................256

ПРИЛОЖЕНИЕ Ц...........................................................................257

ПРИЛОЖЕНИЕ Ч...........................................................................259

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность исследования. Поставка лесоматериалов потребителям по водным путям является наиболее экономически выгодным видом транспорта и, как правило, единственным в местах с плохо развитой сетью автомобильных и железнодорожных путей. Экономичность его заключается в отсутствии необходимости строительства искусственных путей, так как эксплуатируются естественные водные пути, использовании силы движения воды в русле реки и транспортировке большого объёма груза с применением минимального количества технических средств. Несмотря на ряд преимуществ рассматриваемого вида транспорта, в настоящее время, объём транспортировки лесоматериалов по водным путям России стал значительно меньше по сравнению с последним десятилетием двадцатого века. Основная причина уменьшения объёма сплава лесоматериалов заключается в негативном воздействии на экосистемы водоёмов: захламление русел топляком, дноуглубительные работы, нарушение береговой линии. Водный кодекс РФ (часть 2 статьи 48) запретил молевой сплав древесины, следствием чего является значительное снижение объёмов поставок лесоматериалов потребителям водным транспортом.

Известные и используемые лесотранспортные единицы (плоты, сплоточные единицы) имеют недостатки: большая осадка, нестабильный запас плавучести, которые не позволяют эффективно использовать пропускную способность сплавных путей и обеспечить экологическую безопасность сплава, а на малых и средних реках сплав существующих лесотранспортных единиц практических невозможен. Следовательно, для увеличения объёма сплава лесоматериалов по водным объектам страны необходимо совершенствовать конструкции сплоточных единиц и плотов на их основе с последующим их внедрением в производство. Одним из направлений совершенствования сплоточных единиц является стабилизация их плавучести, а также снижение осадки, при этом необходимо разработать конструкции плотов из сплоточных единиц стабилизированной плавучести с модернизированными системами управления, позволяю-

щие обеспечить высокую эффективность использования указанных сплоточных единиц в различных условиях плавания с обеспечением экологической безопасности.

Необходимость освоения удалённых от путей транспорта лесных массивов, содержащих качественную древесину, требует использования для транспортировки лесоматериалов водных путей в виде малых и средних рек, сеть которых развита в лесных районах. Внедрение сплоточных единиц стабилизированной плавучести с малой осадкой, плотов, включающих данные сплоточные единицы и оснащённых усовершенствованными системами управления, позволит вовлечь малые и средние реки в процесс поставки лесоматериалов потребителям с минимальным воздействием на экосистемы указанных водоёмов, и тем самым обеспечить деревопереработчиков качественным и недорогим сырьём. Таким образом, тема диссертационной работы актуальна в современных условиях.

Диссертационная работа выполнена в рамках госбюджетной научно-исследовательской работы кафедры промышленного транспорта, строительства и геодезии Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Воронежская государственная лесотехническая академия» (ФГБОУ ВПО «ВГЛТА») по теме «Разработка энергосберегающих и экологически перспективных технологий транспорта леса» (номер государственной регистрации 01201168746).

Степень разработанности проблемы. Проблемой повышения эффективности плотового сплава лесоматериалов на реках с ограниченными габаритами сплавного хода, совершенствованием конструкций лесотранспортных единиц и систем управления плотами, экологической безопасностью водного транспорта занимались учёные: Ю. Я. Дмитриев, Д. Н. Липман, В. И. Патякин, М. М. Овчинников, А. А. Камусин, А. А. Митрофанов, П. Ф. Войтко, С. П. Кар-пачев, А. Г. Поздеев, А. Н. Минаев, В. П. Корпачев, В. А. Барабанов, Г. Я. Суров, Н. И. Чубов, В. К. Курьянов, И. В. Четверикова, Д. Н. Афоничев, Н. Н. Па-понов, Г. А. Куколевский, И. И. Приезжий, И. Г. Борисов, И. П. Донской, А. В.

6

Прилуцкий, К. Б. Соколов, В. Я. Харитонов и другие. Их научные труды способствовали развитию методов расчёта лесотранспортных единиц, оценки их плавучести и осадки, теории движения лесотранспортных единиц, что является основой для разработки и эксплуатации сооружений, технических средств и процессов водного транспорта лесоматериалов. Анализ научных работ, специальной литературы, патентных источников позволил установить следующее: известные конструкции сплоточных единиц характеризуются значительной осадкой, которая возрастает в процессе сплава, а также имеют сложное конструктивное исполнение, усложняющее операции их сборки и разборки; в практике сплава в качестве такелажа практически не используются современные полимерные материалы, характеризующиеся водонепроницаемостью, высокой механической прочностью, небольшим удельным весом, технологичностью, долговечностью, а также малой стоимостью; нет научного обоснования применения полимерных материалов в конструкциях лесотранспортных единиц; не проводились исследования стабилизации плавучести сплоточных единиц и закономерностей движения плотов, содержащих такие сплоточные единицы; системы управления плотами характеризуются сложностью конструкции и малоэффективны.

Цель диссертационной работы: повысить эффективность и экологическую безопасность плотового сплава лесоматериалов путём снижения осадки и стабилизации плавучести сплоточных единиц и совершенствования систем управления плотами.

Задачи исследования:

- обосновать концепцию снижения осадки и стабилизации плавучести сплоточных единиц, усовершенствовать конструкции сплоточных единиц и разработать конструкцию плота, включающего сплоточные единицы стабилизированной плавучести;

- установить зависимости осадки сплоточной единицы стабилизированной плавучести, плота, включающего сплоточные единицы стабилизированной плавучести, от их конструктивных параметров и свойств используемых лесоматериалов;

7

- разработать математические модели движения плота, включающего сплоточные единицы стабилизированной плавучести, в различных условиях плавания;

- изучить закономерности изменения осадки сплоточных единиц от времени их нахождения в сплаве и определить интенсивность поглощения воды древесиной окорённых и неокорённых лесоматериалов;

- изучить процесс движения плота на криволинейных участках сплавного пути и усовершенствовать системы управления плотами.

Предмет и объект исследования. Предметом исследования являются математические модели плавания тел, движения плотов, взаимодействия элементов плота с водным потоком. Объекты исследования: сплоточные единицы, плоты, системы управления плотами.

Методологическая, теоретическая и эмпирическая база исследования. Теоретическое исследование произведено на основе методов математического моделирования, классической механики, физики, аналитической геометрии. Лабораторный эксперимент поставлен на основе теории планирования эксперимента, для его проведения разработаны и изготовлены специальные ёмкости и физические модели сплоточных единиц. При проведении расчётов и обработке результатов эксперимента использовались современные ЭВМ, применялось программное обеспечение: Excel, Matlab, Delphi7 Lite Full Edition 7.3.4.3, а также прикладные программы собственной разработки.

Научные результаты, выносимые на защиту:

- аналитические зависимости осадки сплоточной единицы стабилизированной плавучести, плота, включающего сплоточные единицы стабилизированной плавучести, от их конструктивных параметров и свойств используемых лесоматериалов, позволяющие рассчитать допустимую глубину сплавного хода;

- математическая модель движения плота, включающего сплоточные единицы стабилизированной плавучести, позволяющая определить путь и продолжительность разгона и торможения, выбрать буксировщик;

- математическая модель движения плота на криволинейном участке реки, позволяющая обосновать допустимые для конкретных условий эксплуатации пара-

8

метры плота и выбрать средства управления, обеспечивающие безаварийную проводку;

- закономерности изменения осадки физических моделей сплоточных единиц, выполненных из окорённых и неокорённых лесоматериалов, позволяющие оценить эффективность стабилизации плавучести и обосновать параметры плота, включающего сплоточные единицы стабилизированной плавучести;

- эксплуатационные показатели плота, включающего сплоточные единицы стабилизированной плавучести, позволяющие осуществлять его безопасную проводку по рекам с малыми глубинами.

Научная новизна результатов исследования:

- получены аналитические зависимости осадки и запаса плавучести сплоточной единицы стабилизированной плавучести от её конструктивных параметров и свойств используемых лесоматериалов, отличающиеся тем, что учитывают влияние коэффициента полнодревесности и формы сплоточной единицы, наличие в её конструкции лесоматериалов различной плавучести;

- получены аналитические зависимости осадки плота, включающего сплоточные единицы стабилизированной плавучести, от конструктивных параметров сплоточных единиц, образующих ряд, отличающиеся учётом влияния дополнительной выталкивающей силы, создаваемой внутренним пространством сплоточных единиц стабилизированной плавучести;

- разработана математическая модель движения плота, включающего сплоточные единицы стабилизированной плавучести, отличающаяся тем, что учитывает свойства сплоточных единиц стабилизированной плавучести и их долю от массы плота;

- предложена математическая модель движения плота на криволинейном участке реки, отличающаяся рассмотрением плота как нелинейной системы управления;

- установлены закономерности изменения осадки физических моделей сплоточных единиц, выполненных из окорённых и неокорённых лесоматериалов, отли-

чающиеся учётом конструктивного исполнения сплоточных единиц стабилизированной плавучести.

Значение для теории. Аналитические зависимости осадки сплоточной единицы стабилизированной плавучести, плота, включающего сплоточные единицы стабилизированной плавучести, от их конструктивных параметров и свойств используемых лесоматериалов, математические модели движения плота позволяют рассчитать допустимую глубину сплавного хода, определить путь и продолжительность разгона и торможения плота, выбрать буксировщик, обосновать допустимые для конкретных условий эксплуатации параметры плота и выбрать средства управления и дополняют теорию движения лесотранспортных единиц. Установленные закономерности изменения осадки физических моделей сплоточных единиц, выполненных из окорённых и неокорённых лесоматериалов, характеризуют интенсивность водопоглощения лесоматериалами сплоточных единиц в процессе плавания и дополняют знания в области теории плавучести лесоматериалов.

Значение для практики. Усовершенствованные кон