Содержание к диссертации
Введение
1. Актуальность совершенствования и разработки новых транспортных технологий освоения водных объектов 10
1.1. Условия экологической безопасности водных объектов, их водоохранных зон и прибрежных защитных полос, вовлекаемых в хозяйственную деятельность 10
1.2. Анализ состояния водных объектов, расположенных на территориях с преобладанием лесных ресурсов 16
1.3. Анализ лесных ресурсов, расположенных в зоне малых водных объектов 22
1.4. Техника и технологии, предрасположенные для транспорта лесных грузов на территории расположения малых водных объектов 26
1.5. Перспективные направления организации транспорта лесных грузов в условиях бездорожья 46
1.6. Задачи исследований 48
2. Разработка экологически безопасных средств транспортировки лесных грузов на базе вездеходных машин и механизмов 50
2.1. Разработка схем вездеходных модулей для транспорта лесных грузов через водные преграды 50
2.2. Кинематические схемы вездеходного модуля, предназначенного для транспортировки лесоматериалов в условиях преодоления водных преград 52
2.3.Исследование гидродинамических характеристик плавающих вездеходных платформ 55
2.4. Моделирование исследуемых объектов и процессов 66
2.5. Экспериментальные исследования 70
2.6.Выводы 104
3. Разработка экологически безопасных транспортных технологий для работы на малых водных-объектах 106
3.1 . Технико-эксплуатационные характеристики вездеходных модулей 106
3.1.1. Колесный водоходный движитель 107
3.1.2. Методика расчета гусеничного водоходного движителя 110
3.1.3. Определение плавучести вездехода 112
3.1.4. Расчет плавучести корпуса 117
3.1.5. Расчет плавучести пневмогусеницы низкого давления 118
3.1.6. Анализ плавучести вездеходов различной компоновки 119
3.2.Технологические схемы транспорта грузов в зоне малых водных объектов 125
4. Эффективность применения разработанных технологий 132
5. Основные выводы и рекомендации 134
6. Список использованной литературы 135
7. Приложения
- Условия экологической безопасности водных объектов, их водоохранных зон и прибрежных защитных полос, вовлекаемых в хозяйственную деятельность
- Разработка схем вездеходных модулей для транспорта лесных грузов через водные преграды
- Технико-эксплуатационные характеристики вездеходных модулей
Введение к работе
Развитие законодательной базы России в направлении соблюдения экологической безопасности освоения природных ресурсов накладывает серьезные ограничения на использование существующих и разработку новых транспортных технологий. В первую очередь это касается транспорта грузов по водным магистралям и организации грузопотоков при пересечении водных объектов. Поэтому лесопромышленный комплекс испытывает сегодня значительные трудности в освоении лесных ресурсов, в том числе в перевозке лесных грузов и зачистке водных объектов от аварийной древесины.
Наметившийся в настоящее время переход от сплошных рубок, преобладавших в России до 90х годов, к выборочным, делает строительство лесовозных дорог малорентабельным, а в ряде случаев - экономически нецелесообразным. В свою очередь экологические ограничения по хозяйственному освоению водных объектов вывели малые и средние реки из разряда лесосплавных.
На фоне вышесказанного разрабатываются программы хозяйственного и рекреационного освоения территорий с преобладанием лесных ресурсов и развитой сетью водных объектов. Существующие транспортные технологии при отсутствии оборудованных дорог не способны решить поставленные задачи без нанесения вреда природной среде. Это делает актуальной разработку новых экологически безопасных технологий, обеспечивающих транспорт лесных грузов и освоение аварийной древесины.
В настоящей работе рассматриваются транспортные технологии на основе вездеходной техники и механизмов, в конструкциях которых используются шины низкого давления, обеспечивающие значительное снижение удельной нагрузки на грунт, повышая тем самым экологическую безопасность транспортных работ. Одновременно в условиях преодоления водных преград при изменении глубин в широком диапазоне шины низкого давления могут
5 быть использованы как искусственный подплав для лесотранспортных единиц. Следовательно, создается возможность непрерывного перемещения лесоматериалов по схеме «земля - вода - земля» без проведения перегрузочных операций.
С Целью настоящей работы является разработка научных и практических
основ для широкого применения новых экологически безопасных технологий транспорта грузов на территории расположения малых водных объектов. Для достижения поставленной цели сформулированы нижеследующие задачи.
1. Произвести анализ и систематизацию существующих технологий
транспортного освоения территорий с развитой сетью водных объектов.
2. Разработать экологически безопасные технологии освоения водных
/і- объектов на основе очистки их от аварийной древесины и перевозки лесных
грузов.
Разработать измерительный комплекс для экспериментального исследования параметров перемещения лесотранспортных средств в водной среде и при выходе из воды на берег.
Разработать рекомендации по экологически безопасным схемам использования и конструктивным особенностям транспортных средств для освоения водных объектов.
'(* Исследования выполнены в Марийском государственном техническом
университете (МарГТУ).
Научная новизна заключается в разработке технологии транспортного освоения малых водных объектов при соблюдении экологической безопасности. Для этого:
- разработаны рекомендации по экологически безопасным схемам
использования и конструктивным особенностям транспортных
't~ средств, обеспечивающих пересечение водных объектов;
- разработан измерительный комплекс с использованием
компьютерных технологий для экспериментальных исследований
параметров перемещения транспортных средств в водной среде и
при выходе из воды на берег;
- исследованы гидродинамические характеристики грузовых
С платформ вездеходного модуля;
- разработаны рекомендации по использованию экологически
безопасных транспортных технологий для хозяйственного освоения
лесных территорий с разветвленной сетью водных объектов.
Методы исследования.
В процессе проведения исследований были использованы теоретические и
'(- экспериментальные методы. Теоретические исследования основывались на
использовании уравнений гидростатики и гидродинамики. Экспериментальные
исследования проводились с использованием компьютерных технологий на
моделях в масштабе моделирования 1:20.
Практическая значимость. Разработанные технологические схемы могут быть использованы:
- административными органами управления и планирования
" хозяйственной деятельности;
учреждениями, занимающимися проектированием и изготовлением вездеходных машин и механизмов;
производственными организациями, занимающимися транспортными перевозками на территориях с развитой сетью водных объектов.
t'f
Реализация результатов работы.
Результаты работы используются в научном и образовательном процессах МарГТУ при изучении курсов «Комплексное использование и охрана водных ресурсов», «Гидравлика» и в выполнении НИР и НИРС.
fC Внедрение в производство.
Получен акт о внедрении в учебный процесс результатов научных исследований в процессе подготовки диссертационной работы «Повышение экологической безопасности технологий освоения водных объектов на основе вездеходной техники» в МарГТУ.
Получены акты о принятии решения внедрить разработанные в
настоящей диссертационной работе технологии перемещения грузов с
j- использованием вездеходной техники на двух предприятиях.
Публикации и апробации работы.
Результаты диссертационной работы докладывались на Всероссийской
научно-практической конференции «Рациональное использование водных
ресурсов в системе управления регионом» (Йошкар-Ола, 2001 г.), на научной
конференции по итогам научно-исследовательской работы Марийского
государственного технического университета (Йошкар-Ола, 2003 г.), на
(f Всероссийской междисциплинарной научной конференции «Глобализация и
проблемы национальной безопасности России в 21 веке» (Йошкар-Ола, 2003 г.). Материалы диссертации опубликованы в 6 научных статьях.
Достоверность результатов.
Достоверность результатов основывается на достаточном объеме
экспериментального материала и его обработке с применением компьютерных
информационных технологий. Приборы, использованные в лабораторных
т" экспериментах, прошли тарировку.
8 Результаты исследований, изложенные в работе, не противоречат известным положениям гидромеханики, базируются на доказанных законах процесса движения объектов в жидкости.
Личный вклад автора.
разработаны рекомендации по экологически безопасным схемам и конструктивным особенностям транспортных средств, обеспечивающих пересечение водных объектов;
исследованы гидродинамические характеристики грузовых платформ вездеходного модуля;
разработаны рекомендации по использованию экологически безопасных транспортных технологий для хозяйственного освоения лесных территорий с разветвленной сетью водных объектов.
разработан измерительный комплекс с использованием компьютерных технологий для экспериментальных исследований параметров перемещения транспортных средств в водной среде и при выходе из воды на берег.
Положения, выносимые на защиту.
Схемы вездеходных модулей для экологически безопасного транспорта лесных грузов на территории расположения малых водных объектов.
Теоретическая модель процесса выхода вездеходного модуля из воды на берег.
3. Измерительный комплекс для экспериментальных исследований
выхода модели из воды на берег.
4. Результаты экспериментальных исследований перемещения моделей
вездеходных модулей из воды на берег.
9 5. Экологически безопасные транспортные технологии для хозяйственного освоения лесных территорий с разветвленной сетью водных объектов.
Структура и объем работы. Работа состоит из введения, четырех глав, основных выводов и рекомендаций, списка использованной литературы ПО наименований и 3 приложения. Объем основной части работы без приложений составляет 144 стр., таблиц 21, рисунков 94.
Условия экологической безопасности водных объектов, их водоохранных зон и прибрежных защитных полос, вовлекаемых в хозяйственную деятельность
Для поддержания водных объектов в состоянии, соответствующем экологическим требованиям, для предотвращения загрязнения, засорения, заиления и истощения поверхностных вод, а также сохранение среды обитания объектов животного и растительного мира устанавливаются водоохранные зоны.
Водоохранной зоной является территория, примыкающая к акваториям рек, озер, водохранилищ и других поверхностных водных объектов, на которой устанавливается специальный режим хозяйственной и иных видов деятельности.
Соблюдение специального режима на территории водоохранных зон является составной частью комплекса природоохранных мер по улучшению гидрологического, гидрохимического, гидробиологического, санитарного и экологического состояния водных объектов и благоустройству их прибрежных территорий.
В пределах водоохранных зон устанавливаются прибрежные защитные полосы, на территориях которых вводятся дополнительные ограничения природопользования. Размеры и границы водоохранных зон и прибрежных защитных полос, а также режим их использования устанавливается исходя из физико-географических, почвенных, гидрологических и других условий с учетом прогноза изменения береговой линии водных объектов. Они утверждаются органами исполнительной власти субъектов Российской Федерации по предоставлению бассейновых и других территориальных органов управления использованием и охраной водного фонда Министерства природных ресурсов Российской Федерации и по согласованию со специально уполномоченными государственными органами в области охраны окружающей природной среды, органами санитарно-эпидемиологического надзора и органами Федеральной пограничной службы Российской Федерации в соответствии с их полномочиями.
Ширина водоохранных зон и прибрежных защитных полос устанавливается:
-для рек, стариц и озер - от среднемноголетнего уреза воды в летний период;
-для водохранилищ - от уреза воды при нормальном подпорном уровне; -для морей - от максимального уровня прилива; -для болот - от их границы (нулевой глубины торфяной залежи). Минимальная ширина водоохранных зон устанавливается для участков рек протяженностью от их истока.
Для истоков рек водоохранная зона устанавливается радиусом не менее 50 метров.
Минимальная ширина водоохранных зон для озер и водохранилищ принимается при площади акватории: до 2 кв. километров - 300метров,от 2 кв. километров и более - 500 метров.
Минимальная ширина водоохранных зон водных объектов, для которых установлены запретные полосы лесов, защищающие нерестилища ценных промысловых видов рыб, принимается равной ширине этих полос. Границы водоохранных зон магистральных и межхозяйственных каналов совмещаются с границами полос отвода земель под эти каналы.
Размеры и границы водоохранных зон на территории городов и других поселений устанавливаются исходя из конкретных условий планировки и застройки в соответствии с утвержденными генеральными планами.
Для участков рек, заключенных в закрытые коллекторы, водоохранные зоны не устанавливаются.
Минимальная ширина прибрежных защитных полос для рек, озер, водохранилищ и других водных объектов устанавливается в размерах (табл. 1.1).
Виды угодий, прилегающих к водным объектам Ширина прибрежной защитной полосы при крутизне склонов прилегающих территорий
обратный и нулевой уклон уклон до 3 уклон более 3
ПашняЛуга, сенокосыЛес, кустарник 15-30 м 15-25 м 35 м 35 -55 м 25 -35 м 35 -50 м 55-100 м 35 -50 м 55-100 м
Ширина прибрежных защитных полос для участков водоемов, имеющих особо ценное рыбохозяйственное значение (места нереста, зимовальные ямы, нагульные участки), устанавливаются не менее 100 метров независимо от уклона и характера прилегающих земель.
В городах и других поселениях при наличии ливневой канализации и набережной допускается границу прибрежных защитных полос совмещать с парапетом набережной.
Границы водоохранных зон и прибрежных защитных полос уточняются в проектах водоохранных зон. Проектирование водоохранных зон и прибрежных защитных полос осуществляется в соответствии с нормативно-методическими документами, утвержденными Министерством природных ресурсов Российской Федерации. По водохранилищам, предоставленным в обособленное пользование, эти функции возлагаются на водопользователей.
Государственная экспертиза, в том числе экологическая, и согласование проектов водоохранных зон осуществляются в порядке, установленном законодательством Российской Федерации.
Закрепление на местности водоохранными знаками установленного образца границ прибрежных защитных полос, определенных проектами водоохранных зон водных объектов (за исключением водохранилищ, предоставленных в обособленное пользование), производится бассейновыми и другими территориальными органами управления использованием и охраной водного фонда Министерства природных ресурсов Российской Федерации.
До утверждения проектов водоохранных зон органы исполнительной власти субъектов Российской Федерации по предоставлению бассейновых и других территориальрых органов управления использованием и охраной водного фонда Министерства природных ресурсов Российской Федерации устанавливают минимальные размеры водоохранных зон и прибрежных защитных полос, которые наносятся на генеральные планы застройки городов и других поселений, планы землепользования, а также иные планово-картографические материалы.
Об установлении границ водоохранных зон, прибрежных защитных полос и режима ведения хозяйственной и иной деятельности в их пределах население информируется в установленном порядке.
В пределах водоохранных зон запрещаются:
- проведение авиационно-химических работ;
- применение химических средств борьбы с вредителями, болезнями растений и сорняками; - использование навозных стоков для удобрения почв;
- размещение складов ядохимикатов, минеральных удобрений и горючесмазочных материалов, площадок для заправки аппаратуры ядохимикатами, животноводческих комплексов и ферм, мест складирования и захоронения промышленных, бытовых и сельскохозяйственных отходов, кладбищ и скотомогильников, накопителей сточных вод;
- складирование навоза и мусора;
- заправка топливом, мойка и ремонт автомобилей и других машин и механизмов;
- размещение стоянок транспортных средств, в том числе на территории дачных и садово-огородных участков;
- проведение рубок главного пользования;
- проведение без согласования с бассейновыми и другими территориальными органами управления использованием и охраной водного фонда Министерства природных ресурсов Российской Федерации строительства и реконструкции зданий, сооружений, коммуникаций и других объектов, а также работ по добыче полезных ископаемых, землеройных и других работ.
На расположенных в пределах водоохранных зон приусадебных, дачных, садово-огородных участках должны соблюдаться правила их использования, исключающие загрязнение, засорение и истощение водных объектов.
На территориях водоохранных зон разрешается проведение рубок промежуточного пользования и других лесохозяйственных мероприятий, обеспечивающих охрану водных объектов.
В пределах прибрежных защитных полос дополнительно к ограничениям , указанным выше, запрещаются:
- распашка земель;
- применение удобрений;
- складирование отвалов размываемых грунтов; - выпас и организация летних лагерей скота(кроме использования
традиционных мест водопоя), устройство купочных ванн;
- установка сезонных стационарных палаточных городков, размещение дачных и садово-огородных участков и выделение участков под индивидуальное строительство;
- движение автомобилей и тракторов, кроме автомобилей специального значения.
Участки земель в пределах прибрежных защитных полос предоставляются для размещения объектов водоснабжения, рекреации, рыбного и охотничьего хозяйства, водозаборных, портовых и гидротехнических сооружений при наличии лицензий на водопользование, в которых устанавливаются требования по соблюдению водоохранного режима.
Прибрежные защитные полосы, как правило, должны быть заняты древесно-кустарниковой растительностью или залужены.
Поддержание в надлежащем состоянии водоохранных зон, прибрежных защитных полос и водоохранных знаков возлагается на водопользователей.
Собственники земель, землевладельцы и землепользователи, на землях которых находятся водоохранные зоны и прибрежные защитные полосы, обязаны соблюдать установленный режим использования этих зон и полос.
Разработка схем вездеходных модулей для транспорта лесных грузов через водные преграды
Использование вездеходной техники требует, как правило, решения ряда задач:
- при увеличении грузоподъемности вездехода сохранение допустимой удельной нагрузки на грунт, предотвращающей его разрушение и способствующей сохранению экологической среды;
- при увеличении полезной грузоподъемности вездехода «сдерживание» веса энергетических блоков (двигателя и приводных механизмов);
- при увеличении проходимости вездехода обеспечение минимального разрушения грунта, как дна водоема, так и прибрежной полосы в соответствии с требованиями экологической безопасности водоохранных зон;
- обеспечение экологически безопасного гарантированного выхода вездехода из воды на берег;
- устранение непредвиденных аварийных ситуаций при транспортировке груза силами группы сопровождающих рабочих.
Анализ перечисленных задач указывает либо на ограничение возможных решений, либо на усложнение условий решения, а иногда и на сомнительное их выполнения.
В настоящей работе предлагается снизить актуальность и сложность указанных выше задач созданием вездеходных модулей, состоящих из непосредственно вездехода и грузовых платформ на шинах низкого давления.
Полезная грузоподъемность вездехода ограничивается весом двигателя и вспомогательного оборудования, а также весом самой конструкции. Вспомогательное оборудование состоит: из грузового манипулятора (для загрузки и разгрузки платформ), системы приводных от двигателя лебедок для перемещения вездехода и грузовых платформ, при необходимости - агрегата для выработки и передачи приводной энергии на грузовые платформы .
Таким образом, все колесные пары модуля будут не только вездеходными, но и полноприводными, что максимально улучшит сцепление с грунтом. При перемещении модуля (автопоезда) из воды на берег, он может расчленяться на отдельные элементы и «выкатываться» из воды на берег с использованием лебедок вездехода ( независимо от количества грузовых платформ). В условиях необорудованного берега (в том числе покрытого травяной растительностью) вездеход тоже может перемещаться накатом. При этом опорным объектом для фиксации троса лебедки могут быть деревья, стоящие на берегу или анкерные опоры. После этого вездеход с использованием кормовых лебедок перемещает на берег остальные грузовые платформы.
В указанной выше ситуации значительно сокращаются усилия, затрачиваемые на перемещение всего автопоезда по пересеченной местности [51,84,85,89, 104, 107].
Технико-эксплуатационные характеристики вездеходных модулей
На машинах для обеспечения их передвижения по воде могут использоваться водоходные движители различных конструктивных типов: колесные, гусеничные, гребные винты, водометы, роторно-винтовые (шнековые) и др. Все перечисленные движители относятся к реактивному типу, поскольку их движущая сила создается за счет реакции воды, отбрасываемой с приращением скорости в сторону, противоположную направлению движения машины. Поэтому водоходные движители отличаются один от другого не принципом работы, а конструкцией рабочего органа или аппарата, с помощью которого воде сообщается ускорение.
Рабочие органы водоходных движителей обладают различной эффективностью, что обуславливает и различную эффективность самих движителей, и присущие им преимущества и недостатки. При выборе водоходного движителя следует учитывать тип и назначение машины, условия ее эксплуатации, а также необходимость обеспечения скоростных показателей машины и ее маневренности [14, 43, 44, 67, 68].
Водоходный движитель плавающих машин должен удовлетворять следующим требованиям: иметь небольшие размеры и массу, при размещении в корпусе машины в возможно меньшей степени уменьшать его водоизмещение; обеспечивать необходимую по условиям эксплуатации машины силу тяги и обладать достаточно высоким пропульсивным КПД; допускать возможность его использования в качестве реверсивно-рулевого устройства для обеспечения хорошей маневренности машины при движении по воде передним и задним ходом; быть простым по конструкции, удобным для компоновки на машине и технического обслуживания; должен быть хорошо защищен от повреждений при движении машины по суше, мелководью, а также при входе в воду и выходе на берег. 3.1.1. Колесный водоходный движитель
На некоторых машинах в качестве водоходного движителя используется колесный сухопутный движитель, что позволяет таким машинам передвигаться по воде с небольшой скоростью. Использование одного движителя в качестве водоходного и сухопутного позволяет упростить общую компоновку и устройство машины. Кроме того, в этом случае колеса машины могут выполнять функции реверсивно-рулевого устройства [8, 13, 71, 79, 90].
Большим недостатком колесного водоходного движителя, ограничивающим его использование, является невозможность получения требуемой силы тяги, что определяет малые скорости движения по воде, посредственную управляемость, а также худшие характеристики по проходимости в процессе входа машин в воду и выходе из нее. Последнее объясняется тем, что при входе в воду и выходе из нее на колесах не может быть получена достаточная сила тяги из-за малого сцепного веса машины. Требуемая сила тяги на колесах как на водоходном движителе не обеспечивается из-за малой частоты вращения и неполного погружения в воду. К недостаткам колесного водоходного движителя следует отнести также уменьшение силы тяги по мере износа протектора шин. Сила тяги колесного водоходного движителя определяется в основном массой и скоростью отбрасываемой движителем воды [45].
Масса отбрасываемой движителем воды зависит от колесной формулы машины, конструкции и размеров шин и дисков колес, износа протектора шин, степени погружения колес в воду и других факторов. Конструкцию шин для плавающих машин разрабатывают из условий движения по суше, поэтому не учитываются особенности использования колес как водоходного движителя. Скорость, с которой колесный движитель отбрасывает воду, также зависит от некоторых факторов: частоты вращения колеса, скорости движения машины, степени погружения колес в воду, экранирования их корпусом машины и др. Для улучшения гидродинамических характеристик колесного водоходного движителя вводят различные дополнительные конструктивные устройства, в частности, установку внутри диска колеса лопаток центробежного насоса, с помощью которых можно несколько улучшить технические параметры колес как водоходных движителей.
Аналитический расчет силы тяги, создаваемой колесами при вращении в воде, затруднителен. Более точными являются результаты расчета, выполненного с использованием экспериментальных зависимостей силы тяги и момента на колесе в функции частоты его вращения, отнесенные к его смоченной поверхности, которая принимается равной площади цилиндра с диаметром и шириной колеса.
