Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние проблемы и задачи исследований 15
1.1 Особенности основных лесных регионов России, связанные с транспортировкой древесного сырья. Экономические преимущества лесотранспортной эксплуатации средних и малых рек 15
1.2 Лесотранспортная эксплуатация средних и малых рек и возможности значительного энергосбережения 18
1.3 Экологические аспекты транспорта лесоматериалов при задействовании средних и малых рек 20
1.4 Обзор известных конструкций сплоточных единиц 24
1.5 Анализ ранее выполненных работ по исследованию геометрических и прочностных характеристик пучков (пакетов) круглых лесоматериалов 30
1.6 Анализ результатов известных исследований по движению лесотранспорт-ных единиц в воде 37
1.7 Обзор работ, связанных с математическим моделированием лесосплавного хода 43
1.8 Выводы и задачи исследований 45
2. Обоснование предлагаемой концепции организаци экологически щадящего водного транспорта лесоматериалов при задействовании сети средних и малых рек 49
2.1 Особенности лесотранспортной эксплуатации средних и малых рек 49
2.2 Обоснование выбора первичной сплоточной единицы. Двухярусные пакетные сплоточные единицы. Принцип единого транспортного пакета 50
2.3 Поэтапная доставка лесоматериалов по речной сети 59
2.4 Судовые перевозки и сопутствующие технологии 61
2.5 Выводы по разделу 64
3. Исследования геометрических характеристик двухярусных пакетных сплоточных единиц и составляющих их пакетов круглых лесоматериалов 66
3.1 Общие положения 66
3.2 Геометрические характеристики плавающей двухярусной пакетной сплоточной единицы 68
3.2.1 Аналитические зависимости для определения геометрических характеристик плавающей двухярусной пакетной сплоточной единицы 68
3.2.2 Алгоритм определения геометрических параметров плавающей двухярусной пакетной сплоточной единицы численным методом 79
3.2.3 Аппроксимирующие зависимости для геометрических параметров плавающей двухярусной пакетной сплоточной единицы, интерпретация полученных результатов 3.3 Геометрические характеристики плавающего пакета 89
3.4 Геометрические характеристики двухярусной пакетной сплоточной единицы при размещении ее на твердом основании 96
3.5 Определение относительной модулярной высоты эластики для пакета, от
дельно лежащего на твердом основании 104
3.6 Оценка изменения геометрических характеристик пакета при всплытии 106
3.7 Выводы по разделу 109
4. Исследования прочностных характеристик двухярусных пакетных сплотчных единиц и составляющих их пакетов круглых лесоматериалов 112
4.1 Обоснование предлагаемого толкования прочности сплоточных единиц с
наличием распорных усилий и необходимости ее комплексной оценки 112
4.2 Исследование усилий в такелажной оснастке плавающей двухярусной па
кетной сплоточной единицы 116
4.3 Исследование продольной прочности плавающей двухярусной пакетной сплоточной единицы 130
4.4 Прочностные характеристики плавающего пакета 141
4.5 Усилия в гибких связях двухярусной пакетной сплоточной единицы, находящейся на твердом основании 151
4.6 Натяжения в обвязках пакета, расположенного на твердом основании 157
4.7 Выводы по разделу 162
5. Исследования движения лесотранспортных единиц в воде 166
5.1 Теоретические исследования равномерного движения двухярусных пакет ных сплоточных единиц в воде 166
5.2 Разработка методики экспериментального определения интервальных коэффициентов фиктивного увеличения массы лесотранспортных единиц при их неравномерном движении в воде 174
5.3 Экспериментальные исследования движения двухярусных пакетных сплоточных единиц в воде
5.3.1 Планирование экспериментов 193
5.3.2 Описание лабораторной установки и порядок проведения экспериментов 197
5.3.3 Первичная обработка экспериментальных данных 200
5.3.4 Регрессионные модели коэффициентов общего сопротивления воды равномерному движению двухярусных пакетных сплоточных единиц
5.3.5 Регрессионные модели коэффициентов влияния мелководья при равномерном движении двухярусных пакетных сплоточных единиц 208
5.3.6 Регрессионные модели коэффициентов фиктивного увеличения массы двухярусных пакетных сплоточных единиц при их разгоне в воде 209
5.3.7 Регрессионные модели коэффициентов фиктивного увеличения массы двухярусных пакетных сплоточных единиц при их торможении в воде 211
5.4 Выводы по разделу 214
6. Разработка алгоритма математического моделирования лесосплавного хода 216
6.1 Назначение модели лесосплавного хода, особенности и базовые принципы его моделирования 216
6.2 Лоцманские карты реки, как один из возможных источников данных при моделировании лесосплавного хода 218
6.3 Моделирование поперечных профилей русла реки 219
6.4 Определение отметок поверхности воды в расчетных створах по заданным уровням на водпостах 224
6.5 Определение габаритов лесосплавного хода и соответствующих габаритов 226 плотов
6.6 Оценка максимального измеряемого значения радиуса кривизны лесосплавного хода 228
6.7 Особенности моделирования лесосплавного хода по материалам дистанционного зондирования 230
6.8 Реализация модели в программном приложении для практического использования 234
6.9 Выводы по разделу 236
7. Предлагаемые технические и технологические решения по организации экологически щадящего лесотранспорта по средним и малым рекам 237
7.1 Лесотранспортные единицы для средних и малых рек 237
7.1.1 Плоты из двухярусных пакетных сплоточных единиц 238
7.1.2 Плоты из пучков манипуляторной сплотки, технология их формирования. Комбинированные плоты 243
7.1.3 Плоты из пакетов с малой осадкой 246
7.1.4 Линейки из сплоточных единиц 249
7.2 Минирейды 252
7.2.1 Устройства для формирования плотов и линеек на минирейде 252
7.2.2 Технологии формирования плотов и линеек на минирейде 255
7.2.3 Устройства для безопасной отдачи плотов 260
7.3 Разработки для организации перевозок лесоматериалов в судах по средним и малым рекам 265
7.3.1 Мобильные малогабаритные причалы 265
7.3.2 Технологические схемы погрузки лесоматериалов на суда с применением мобильных малогабаритных причалов 270
7.4 Выводы по разделу 273
Основные выводы по работе и рекомендации 275
Список литературы
- Анализ ранее выполненных работ по исследованию геометрических и прочностных характеристик пучков (пакетов) круглых лесоматериалов
- Обоснование выбора первичной сплоточной единицы. Двухярусные пакетные сплоточные единицы. Принцип единого транспортного пакета
- Аналитические зависимости для определения геометрических характеристик плавающей двухярусной пакетной сплоточной единицы
- Первичная обработка экспериментальных данных
Введение к работе
Актуальность темы исследований. Основные лесные регионы РФ имеют обширные территории и слабо развитую дорожную сеть. Строительство дорог на таких территориях требует огромных затрат. Это становится еще более очевидным, если учесть их большую заболоченность и наличие густой речной сети. Основная часть лесозаготовительных предприятий в настоящее время относятся к категориям малых и средних. Они практически не имеют финансовых возможностей для строительства новых дорог. Существенное изменение плотности дорожной сети в указанных регионах в обозримой перспективе нереально, а зачастую из-за их малой заселенности и нецелесообразно. Приведенные факты свидетельствуют о наличии значительных проблем с доставкой древесного сырья из удаленных лесных массивов потребителям.
Густая речная сеть упомянутых регионов состоит в основном из средних и малых рек. Около 92% водотоков имеют длину до 100 км. По многим из них ранее проводился молевой сплав. Он обеспечивал доступ к удаленному лесному фонду. После прекращения молевого сплава этот доступ был практически утрачен. В настоящее время, например, в Архангельской области согласно данным, подготовленным сотрудниками САФУ для Рослесхоза, 57% лесфонда экономически недоступны. Затраты на транспортировку древесного сырья кардинально возросли, что привело к ряду негативных экономических и социальных последствий. Существенных позитивных изменений экологического характера (качество воды, запасы рыбных ресурсов) за прошедшую четверть века со времени прекращения молевого сплава не отмечено. К негативным можно отнести, прежде всего, нерациональное использование лесных ресурсов, обусловленное излишне интенсивной эксплуатацией ближних древостоев с допущением локальных перерубов, потерей качества части древесины в удаленных перестойных массивах, заболеванием и гибелью деревьев в них. Не призывая к возвращению молевого сплава, отметим, что к рекам РФ и сейчас примыкают огромные лесные запасы – около 14 млрд. м3. Многочисленные водотоки – это фактически сеть уже имеющихся путей, созданных природой. Использование этих путей и экологически чистой энергии водных потоков предоставляет большие возможности по снижению затрат на транспортировку лесоматериалов, энергосбережению, рациональному использованию ресурсов, уменьшению негативного влияния на окружающую среду. При выполнении одинаковой транспортной работы общие затраты в среднем по РФ в случае доставки лесоматериалов, например, в плотах в 4,5 раза меньше, чем на автомобилях и в 2,9 раза меньше, чем по железной дороге. Затраты топлива при этом меньше соответственно в 17 и в 4 раза, а вредные выбросы от сгоревшего топлива при автомобильной доставке в 270…300 раз больше количества веществ, вымываемых из древесины при сплаве.
Специалисты уверены в необходимости лесотранспортной эксплуатации средних и малых рек с применением экологически щадящих вариантов достав-
ки древесного сырья, разрешенных Водным кодексом РФ. Однако ранее использовавшиеся техника, сооружения и технологии в рассматриваемом случае, как правило, не пригодны. Необходимы новые технические, технологические и другие научно обоснованные разработки. Важность решения данной проблемы подтверждает и факт курирования руководством департамента лесопромышленного комплекса администрации Архангельской области хода внедрения указанных разработок.
Степень разработанности проблемы. В связи с большой актуальностью проблема вызывает интерес многих ученых. Известны работы Д.Н.Афоничева, П.Ф.Войтко, А.А.Камусина, С.П.Карпачева, А.Ю.Мануковского, А.Н.Минаева, А.А.Митрофанова, М.М.Овчинникова, Г.Я. Сурова, В.Я.Харитонова, Е.М. Царева и других авторов. Попытки решения проблемы сводятся преимущественно к предложениям различных конструкций плоских сплоточных единиц (ПСЕ), плотов из них, в редких случаях к разработке связанных с ними отдельных технологических процессов и научному обоснованию предлагаемых решений. Имеющиеся разработки имеют фрагментарный, либо сугубо общий характер. Требуется комплексное решение проблемы с достаточно детальной проработкой. Не отрицая возможность использования в ряде случаев ПСЕ (несмотря на их существенные недостатки), мы предлагаем концепцию, основанную в частности на принципе единого транспортного пакета, большая роль, в реализации которой отводится двухъярусным пакетным сплоточным единицам (ДПСЕ). Использование ДПСЕ предполагает выполнение инженерных расчетов по определению геометрических и прочностных характеристик этих сплоточных единиц (СЕ), а также установлению их гидродинамических параметров при переместительных операциях. Информация, требуемая для таких расчетов, отсутствует, поскольку ДПСЕ – новая разработка. Соответствующие материалы, полученные ранее для лесосплавных пучков и других лесотранспортных единиц (ЛТЕ) непригодны для непосредственного использования в упомянутых расчетах. Однако, они оказались полезными при проведении наших исследований, их использовали, как исходную информацию.
Среди работ, посвященных исследованию геометрических и прочностных характеристик пучков (пакетов) круглых лесоматериалов, наиболее значимы труды М.В. Борисова, Ю.И. Валькова, А.Г. Воробьева, Ю.М. Реутова.
При исследовании равномерного движения ДПСЕ в воде наибольший интерес представляли работы В.П. Корпачева, И.П. Донского и Ю.И. Рябоконя, в которых рассматривается указанный вид движения обычных сортиментных пучков. Весомый вклад в дело изучения равномерного движения ЛТЕ, в частности плотов, внесен В.Н. Худоноговым. Полезной оказалась информация по гидродинамическим характеристикам пучков из аварийной древесины, полученная А.Ю. Жуком в результате выполнения большого объема натурных экспериментов.
Вопросы неравномерного движения ЛТЕ в воде наиболее основательно освещены в трудах А.А. Митрофанова, М.М. Овчинникова и П.М. Родионова,
А.Н. Минаева применительно к плотам, в работах В.Я. Харитонова применительно к круглым лесоматериалам.
ДПСЕ по форме значительно отличаются от других ЛТЕ, что предполагает различие и в их гидродинамических характеристиках.
Эффективной, экологически щадящей лесотранспортной эксплуатации речной сети может способствовать применение математических моделей лесосплавных путей. Частично эти вопросы рассмотрены в работах В.Я. Харитонова и Н.С. Главатских, посвященных теме построения поперечных профилей малоизученных рек. Русловые процессы исследовали М.А. Великанов, Н.Е. Кондратьев, Н.И. Маккавеев и др.
В результате проведенного анализа установили необходимость дополнительных исследований.
Цель работы: научное, технологическое и техническое обеспечение организации экологически щадящего водного транспорта лесоматериалов при задействовании сети средних и малых рек.
Задачи исследований:
1. Разработать концепцию экологически щадящей лесотранспортной экс
плуатации средних и малых рек;
2. Разработать методику определения геометрических характеристик
ДПСЕ и составляющих их пакетов круглых лесоматериалов, находящихся на
плаву или на твердой поверхности, основанную на численном решении пред
ложенной системы аналитических уравнений;
-
На основе результатов расчетов по упомянутой выше методике, получить аппроксимирующие выражения, позволяющие при менее строгих требованиях к точности более простым способом определять геометрические характеристики ДПСЕ и составляющих их пакетов, находящихся в указанных состояниях. Достоверность результатов, полученных теоретическим путем, проверить экспериментально на физических моделях;
-
Получить аналитические зависимости и базирующуюся на них единую методику определения усилий в такелажной оснастке ДПСЕ и составляющих их пакетов, находящихся наплаву и лежащих на твердом основании. Выполнить проверку универсальной методики, используя материалы, полученные ранее опытным путем для частных случаев, относящихся к отдельным пакетам;
-
Получить выражения для определения комплексного критерия продольной прочности пакетов в ДПСЕ и вне ее, а также критерия противодействия относительному продольному смещению пакетов в ней;
-
Провести многофакторные экспериментальные исследования равномерного движения в воде ДПСЕ при их продольном и поперечном перемещении с получением эмпирических формул, необходимых для определения сопротивления воды указному движению;
-
Получить регрессионные модели для коэффициентов влияния мелководья на сопротивление воды равномерному движению ДПСЕ;
-
Разработать методику экспериментального определения коэффициен-
тов фиктивного увеличения массы лесотранспортных единиц, обуславливающую более точное вычисление параметров их неравномерного движения в воде и снижение трудоемкости обработки опытных данных;
9. Используя разработанную методику (п. 8), получить регрессионные
модели для коэффициентов фиктивного увеличения массы ДПСЕ при их раз
гоне и торможении постоянной силой в условиях отсутствия и наличия влияния
дна;
-
Разработать алгоритм создания математической модели лесосплавного хода, предполагающий ее реализацию в виде программного приложения, используемого в практике водного транспорта. Создать вариант приложения на примере конкретной реки.
-
Разработать комплекс технических и технологических решений, способствующих экологически щадящей лесотранспортной эксплуатации средних и малых рек с применением ДПСЕ и развитием судовых перевозок.
Объект исследований: транспортировка лесоматериалов по средним и малым рекам.
Предмет исследований: организация транспорта лесоматериалов по средним и малым рекам, применяемые при этом технологии, устройства и ЛТЕ, в частности ДПСЕ, геометрические, прочностные и гидродинамические характеристики ДПСЕ, лесосплавной ход реки.
Методологическая и теоретическая база исследований. В диссертации применены следующие методы исследований: анализ литературных источников по вопросам организации транспорта лесоматериалов по средним и малым рекам, геометрических параметров и прочности СЕ, гидродинамических характеристик ЛТЕ, русловых процессов и характеристик русел рек; методы математического моделирования; численные методы решения систем уравнений; методы теории планирования эксперимента, включая вопросы теории размерностей, подобия и математической статистики.
При проведении исследований опирались на положения теории сыпучей среды, эластиковой теории, теоретической механики, гидромеханики, теории русловых процессов.
Научная новизна работы. Предложена концепция эффективной организации экологически щадящей транспортировки древесного сырья по водным путям с задействованием сети средних и малых рек.
Разработана с предварительным математическим обоснованием методика точного определения геометрических характеристик ДПСЕ и составляющих их пакетов, находящихся наплаву или на твердой поверхности, предполагающая численное решение системы уравнений. Получены аппроксимирующие выражения для вычисления указанных характеристик более простым способом при меньших требованиях к точности результатов.
Получены теоретические зависимости для комплексной оценки прочностных характеристик плавающих, а также лежащих на твердом основании ДПСЕ и отдельных пакетов (пучков) круглых лесоматериалов, предложена
универсальная методика соответствующего назначения.
Получены регрессионные модели для определения коэффициентов общего сопротивления воды равномерному перемещению ДПСЕ при их продольном и поперечном движении в условиях отсутствия и наличия влияния дна.
Предложена новая методика экспериментального определения интервальных коэффициентов фиктивного увеличения массы ЛТЕ при их неравномерном движении в воде. Применительно к ДПСЕ получены регрессионные модели для вычисления указанных интервальных коэффициентов при условии отсутствия влияния дна и его наличия.
Разработан алгоритм создания математических моделей лесосплавного хода, предполагающий их реализацию на компьютере.
Предложен комплекс технических и технологических разработок, в том числе защищенных патентами, предназначенных для практической реализации экологически щадящей лесотранспортной эксплуатации средних и малых рек.
Теоретическая и практическая значимость работы. Математическое описание и созданные на его основе методики определения геометрических и прочностных характеристик ДПСЕ и пакетов (пучков лесоматериалов), параметров неравномерного движения ЛТЕ в воде, а также алгоритм моделирования лесосплавного хода являются весомым вкладом в соответствующие области научных знаний, который может быть использован исследователями при решении других задач.
Полученные результаты позволяют, опираясь на предложенную концепцию, используя комплекс рекомендуемых технических и технологических разработок, программное приложение, реализованное на основе созданной модели русла реки, наиболее эффективно организовать экологически щадящую транспортировку древесного сырья потребителям с задействованием средних и малых рек; выполнять технологические и прочностные расчеты, связанные с формированием, безаварийной доставкой ДПСЕ и отдельных пакетов лесоматериалов, а также с равномерным и неравномерным движением ДПСЕ в воде при пе-реместительных операциях.
Основные научные положения и результаты исследований, выносимые на защиту.
1. Концепция экологически щадящей лесотранспортной эксплуатации
средних и малых рек, основанная на принципе единого транспортного пакета
при поэтапной доставке лесоматериалов и приоритетном использовании техни
ки лесозаготовителей.
-
Методика точного определения геометрических характеристик ДПСЕ и составляющих их пакетов круглых лесоматериалов, находящихся наплаву или на твердой поверхности, основанная на численном решении предложенной системы аналитических уравнений. Комплект аппроксимирующих выражений для вычисления указанных характеристик более простым способом при менее строгих требованиях к точности.
-
Аналитические зависимости и базирующаяся на них единая методика
комплексной оценки прочностных характеристик ДПСЕ и составляющих их пакетов, находящихся наплаву или на твердом основании.
4. Результаты многофакторных экспериментальных исследований по
определению силы сопротивления воды равномерному движению ДПСЕ при их
продольном и поперечном перемещении, в том числе в условиях мелководья.
-
Универсальная методика экспериментального определения коэффициентов фиктивного увеличения массы различных ЛТЕ, обуславливающая более точное вычисление параметров их неравномерного движения в воде и уменьшение трудоемкости обработки опытных данных.
-
Результаты исследований по разгону и торможению ДПСЕ в воде постоянной силой при отсутствии и наличии влияния дна.
7. Алгоритм разработки математических моделей лесосплавного хода,
апробированный при создании модели указанного вида для реки Вага и реали
зованный в виде программного приложения.
8. Комплекс технических и технологических решений, позволяющих реализовать экологически щадящую лесотранспортную эксплуатацию средних и малых рек по предлагаемой концепции и сопутствующим вариантам.
Соответствие диссертации паспорту научной специальности. Диссертация соответствует паспорту научной специальности 05.21.01 «Технология и машины лесозаготовок и лесного хозяйства» по пунктам 3, 5, 6, 14, 15.
Достоверность полученных результатов обеспечена методологической базой выполнения работы, комбинированием теоретических исследований с экспериментальными, применением методов планирования эксперимента и математической статистики и подтверждается удовлетворительной сходимостью результатов, полученных теоретическим и опытным путем, апробацией материалов, их публикацией в рецензируемых журналах.
Реализация результатов исследования. Значительная часть материалов диссертации использована при выполнении работ по хоздоговорам с предприятиями ЛПК, по гранту Администрации Архангельской области «Доставка древесины из удаленных лесоизбыточных районов и освоение плотов зимней сплотки при низких уровнях воды» и по государственной научно-технической программе России «Комплексное использование древесного сырья» (подпрограмма «Разработка технологии судоперевозок древесного сырья по малым и средним рекам»).
Технология сплотки ДПСЕ внедрена в АО «СЦБК» (цех лесозаготовок в поселке Северный), в ООО «Мамонихалес» и в ООО «Сосновкалес». Три модификации конструкции плотов повышенной прочности из ДПСЕ внедрены на первых двух предприятиях, технология манипуляторной сплотки и плоты соответствующей конструкции – в ООО «Мамонихалес». Устройства для безопасной отдачи плотов внедрены в ООО «Мамонихалес» и ООО «Сосновкалес» после чего завод «Севдормаш» начал их изготовление и самостоятельную реализацию.
Материалы работы используются в учебном процессе. Часть их включена
в два учебных пособия.
Апробация результатов работы. Основные результаты диссертации доложены, обсуждены и одобрены на Международных научно-практических конференциях «Актуальные проблемы лесного комплекса» (Брянск, 2010, 2014, 2015); «Актуальные направления научных исследований ХХI века: теория и практика» (Воронеж, 2014-2016); Международной научно-технической конференции «Юность и знания - гарантия успеха» (Курск, 2014); Международной научно-технической конференции, посвященной 75-летию АЛТИ–АГТУ (Архангельск, 2004); Всероссийской научно-практической конференции «Новые технологии водного транспорта леса на смену молевому лесосплаву» (Архангельск, 2000); научных конференциях профессорско-преподавательского состава, научных сотрудников и аспирантов АГТУ-САФУ (Архангельск, 2000-2016); на совещаниях при заместителе Главы администрации Архангельской области по лесопромышленному комплексу (2001), при директоре департамента лесопромышленного комплекса администрации Архангельской области (2002), при заместителе генерального директора АО «Северное речное пароходство» (2000), при начальнике Северного бассейнового управления по охране, воспроизводству рыбных запасов и регулированию рыболовства «СЕ-ВРЫБВОД» (2002).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 57 научных статей, 14 из них в журналах из перечня ВАК, получено 5 патентов на изобретения и полезные модели.
Личный вклад автора. Исследования, отраженные в 1, 3, 4, 5, 6 разделах диссертации выполнены автором единолично, это относится также к введению и заключительной части работы. Часть материалов, использованных во 2 разделе, а также некоторые технические и технологические решения, описанные в разделе 7, получены совместно с коллегами при наиболее активном участии соискателя, работавшего ответственным исполнителем (заместителем руководителя) тем.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, семи разделов, основных выводов и рекомендаций, списка литературы и приложений. Общий объем работы 343 страницы. Диссертация содержит 69 рисунков и 3 таблицы. Список литературы состоит из 243 наименований.
Анализ ранее выполненных работ по исследованию геометрических и прочностных характеристик пучков (пакетов) круглых лесоматериалов
Если экономические преимущества водного транспорта леса для большинства специалистов очевидны, то в отношении его экологических аспектов распространены очень поверхностные, зачастую неверные представления. Нередко приходится сталкиваться с дилетантскими суждениями о транспортировке древесины по воде. Неспециалисты под водным транспортом леса зачастую понимают молевой лесосплав, неиспользуемый в настоящее время. Согласно действующему Водному кодексу РФ [20] сейчас разрешены только экологически безопасные виды водного транспорта лесоматериалов, прежде всего судовые и плотовые перевозки. На реках неиспользуемых для судоходства разрешен сплав «вольницей», то есть в сплоточных единицах. Эти способы транспортировки древесного сырья вопреки распространенному мнению дилетантов предпочтительнее других не только с экономической, но и с экологической точки зрения. Да и молевой сплав, возвращать который мы вовсе не призываем, при правильной организации с соблюдением правил охраны водных объектов [37] по обоснованному мнению специалистов наносил природе вреда не больше, чем сухопутные виды транспорта леса.
При неправильной организации молевого сплава его отрицательные последствия экологического характера были связаны в основном с потерями части лесоматериалов в результате их утопа или разноса. Кроме того экологов волновал вопрос экстрагирования из древесины растворимых в воде веществ. При транспортировке лесоматериалов в пакетированном виде без размолевки от пуска до выгрузки их утоп и разнос отдельных бревен практически исключен. Во всяком случае, вероятность утопа для пакетированных лесоматериалов не больше, чем для любого груза, перевозимого на судах. По поводу второго негативного фактора отметим, что при соотношении объемов древесины и воды, не превышающем 1/250 концентрация экстрагируемых веществ в последней ниже предельно допустимой [184]. Превышение этого показателя редко имело место и при молевом сплаве [184]. При ныне разрешенных видах водного транспорта лесоматериалов такое соотношение крайне маловероятно. Да и предотвратить его при необходимости можно довольно просто. На содержание органических веществ в воде в гораздо большей степени влияет сброс хозяйственно-бытовых и промышленных вод, смыв с площади водосбора пестицидов, органических и минеральных удобрений, гидротехническое строительство и т.д. [184].
Длительный период, прошедший со времени прекращения молевого сплава, на практике показал, что его запрещение не принесло ощутимого результата в части эффективности рыбного хозяйства [79]. Этот факт является красноречивым подтверждением и ранее высказываемого положения об отсутствии существенно 22
го влияния лесосплава на рыбные ресурсы. При ныне разрешенных видах лесосплава указанное влияние практически отсутствует. Основная цель, которая преследовалась при упомянутом запрете не достигнута, в то время как отрицательные экологические, а тем более экономические и социальные последствия этого шага для специалистов очевидны.
Из упомянутых отрицательных последствий наиболее заметны те, что связаны с нерациональным использованием лесных ресурсов. Существенно уменьшилась доля экономически доступного лесфонда. Это привело к гораздо более интенсивной эксплуатации лесных массивов, примыкающих к существующим дорогам, прежде всего магистральным, а также к крупным водоемам и населенным пунктам. Нередко в указанных массивах стали отмечаться перерубы расчетной лесосеки, хотя в целом по региону этот показатель не превышается. Спелые, а также перестойные леса, находящиеся преимущественно в довольно удаленных районах, при этом не осваиваются. Заметим, что эти леса не сохраняются для последующего использования, как считают некоторые. Древесина в них с годами теряет товарное качество, они заболевают и со временем гибнут. То есть позитивные на первый взгляд в экологическом аспекте решения стали причиной нерационального использования лесных ресурсов. Эту ситуацию коренным образом можно изменить, обеспечив экономическую привлекательность удаленных лесных массивов. Сделать это позволит экологически щадящее лесотранспортное использование развитой сети средних и малых рек в основных лесных регионах.
Другие отрицательные экологические последствия вывода из лесотранс-портной эксплуатации средних и малых рек менее заметны, но не менее значимы. Существенные экологические преимущества разрешенных видов водного транспорта лесоматериалов связаны с малыми энергозатратами и соответственно с наименьшими выбросами вредных веществ. Очевидно, что при лесозаготовках какой-либо вид транспорта обязательно задействован на вывозке древесного сырья. В большинстве случаев выбор должен быть сделан между водным и автомобильным транспортом. Строительство обширной разветвленной сети железных дорог соответствующего назначения еще менее реально, чем автомобильных. В предыдущем подразделе было отмечено, что для замещения транспортной работы, которая может выполняться водными потоками при доставке лесоматериалов, нужны огромные мощности. Предполагается, что они складываются из мощностей многочисленных автомобильных двигателей, потребляющих огромное количество топлива. В том же подразделе приведены данные, демонстрирующие, что на совершение одинаковой транспортной работы при автомобильной доставке лесоматериалов топлива требуется во много раз больше, чем при водной. Потребление топлива предполагает выбросы вредных веществ.
Ранее выполненные расчеты [163, 216, 215, 220] показали, что прекращение молевого сплава в объеме 30 миллионов м3 с переносом грузопотока на сухопутный транспорт предполагает ежегодное сжигание дополнительно 146 тысяч тонн жидкого топлива. При этом выбросы вредных веществ увеличиваются более чем на 30 тысяч тонн. Также в результате исследований установлено, что при выполнении одинаковой транспортной работы выбросы вредных веществ от сгорания топлива при автомобильных поставках в 270…300 раз превышают количество веществ, вымываемых из древесины. Причем выбросы от сгорания топлива опаснее по воздействию на окружающую среду и в частности на водные объекты [163, 184]. Эти выбросы оседают на почву и значительная их часть с талыми и дождевыми водами с площади водосбора выносится в водоемы. В результате засоряются не только площади вдоль дорог, но и водоемы.
Заметим, что даже в странах с очень развитой дорожной сетью и с особо бережным отношением к окружающей среде там, где это экономически целесообразно предпочтение отдается водному транспорту лесоматериалов [172, 176, 228]. Наиболее ярким примером в этом плане может послужить Финляндия [172, 176].
Изложенные факты свидетельствуют о том, что лесотранспортное использование средних и малых рек с применением разрешенных видов доставки древесного сырья предполагает существенный выигрыш и в экологическом плане.
Обоснование выбора первичной сплоточной единицы. Двухярусные пакетные сплоточные единицы. Принцип единого транспортного пакета
Судоперевозки также являются разрешенным [20] экологически щадящим видом водного транспорта лесоматериалов. По экономическим показателям судо-перевозки, несколько уступая доставке лесоматериалов в плотах, значительно выигрывают у сухопутных видов транспорта. В связи с этим они тоже представляют интерес. Однако пока они имеют место в основном на магистральных реках. Считаем целесообразным их более активное использование на средних, а в некоторых случаях даже на малых реках. Для реализации этого необходимы новые решения, учитывающие особенности транспорта лесоматериалов по рассматриваемым рекам, обозначенные в подразделе 2.1. При организации судоперевозок особо важными в данном случае являются вопросы, связанные с погрузкой лесоматериалов на суда. Непродолжительная навигация и небольшие объемы работ на отдельно взятых складах обуславливают экономическую нецелесообразность использования стационарного грузоподъемного оборудования и строительства стационарных причалов, особенно если учесть, что они должны быть существенных размеров из-за значительных колебаний уровней в период весеннего половодья.
В настоящее время погрузку лесоматериалов в суда на средних реках выполняют преимущественно плавкранами, количество которых невелико. На малых реках судоперевозки практически отсутствуют. При планировании увеличения объемов судоперевозок во время краткосрочной навигации на средних и малых реках имеющегося количества плавкранов будет явно недостаточно. Приобретение дополнительных единиц этого дорогого оборудования, которое большую часть года будет простаивать, нецелесообразно. Заметим также, что применение плавкранов на многих малых и средних реках невозможно из-за того, что они не могут быть проведены под невысокими мостами и из-за значительной осадки.
В соответствии с положениями, сформулированными в подразделе 2.1, и в данном случае опираться следует не технику лесозаготовителей. Для обеспечения возможности применения ее на погрузке судов считаем необходимым при организации судоперевозок по средним и малым рекам ставку сделать на мобильные малогабаритные причалы и соответствующие технологии погрузки (подраздел 7.3). Небольшие размеры таких причалов и соответственно невысокая стоимость, способность выдерживать значительные нагрузки, а также возможность их быстрой перестановки в данном створе при изменении уровней воды и перемещения со склада на склад позволяют надеяться на то, что применение указанных причалов в совокупности с погрузчиками лесозаготовителей будет существенно способствовать развитию судовых перевозок древесного сырья по рассматриваемым рекам.
В качестве судов для перевозки лесоматериалов чаще используют баржи. Габариты этих барж таковы, что их проводка по малым рекам, как правило, затруднительна. Решить эту проблему можно посредством внедрения модульных баржевых составов. Они монтируются из закрытых [61, 63, 87] или открытых [ 54, 55, 148] баржевых модулей. Размеры баржевого состава определяются количеством модулей установленных в него по ширине и по длине. Указанные размеры диктуются габаритами судового хода на конкретном маршруте в соответствующий период времени. Использование таких составов позволит реализовать судовые перевозки на некоторых малых реках и продлить навигацию на средних, после завершения которой они могут эксплуатироваться на магистральных водных путях. Как и обычные суда они обеспечивают возможность транспортировки лесоматериалов с недостаточной плавучестью и других грузов, в том числе при северном завозе. Объективно оценивая ситуацию, отметим, что возможное внедрение модульных баржевых составов – вероятно дело несколько отдаленной перспективы. Для этого необходимы несколько большие, чем в выше предложенных вариантах капитальные вложения и организационные усилия. Вероятно следует ожидать некоторого увеличения удельных затрат на буксировку модульного состава при меньшем объеме перевозимых лесоматериалов. По поводу упомянутых капитальных затрат заметим, что если их сравнивать с соответствующими затратами, относящимися к обычным баржам, то они оказываются вполне приемлемыми. Расчеты показывают, что изготовление модулей зарытого типа с учетом всей оснастки в условиях предприятия «Лайдок» при соответствии по грузоподъемности (700 т) дороже, чем изготовление баржи-аналога проекта Р93 всего лишь на 3%. Очевидно, что изготовление менее металлоемких модулей открытого типа обойдется дешевле. Считаем, что баржевые модули представляют определенный интерес. Автором диссертации совместно с руководимыми аспирантами разрабатываются технические и технологические решения по данному направлению [54, 55, 62, 63], выполняется их научное обоснование [61, 148].
Наряду с основной технологией сплотки возможно при соответствующих обстоятельствах применение сопутствующих. В настоящее время широкое распространение получила сортиментная вывозка древесины. При реализации такой вывозки нередко используют сортиментовозы, оборудованные гидроманипулятором, что позволяет в ряде случаев исключить из технологического процесса погрузчики. Это может быть целесообразным, например, при неинтенсивной вывозке в сравнительно небольших объемах. При этом использование погрузчиков, которые будут подолгу простаивать в ожидании сортиментовозов, может быть экономически неоправданным. Такие случаи характерны для мелких лесозаготовителей, численность которых в настоящее время значительно возросла. При упомянутых обстоятельствах может быть использована технологии зимней сплотки малогабаритных пакетов и лесосплавных пучков обычных размеров с применением простейших приспособлений и манипуляторов сортиментовозов (подраздел 7.1.2).
Аналитические зависимости для определения геометрических характеристик плавающей двухярусной пакетной сплоточной единицы
При программировании предусмотрели такое количество слагаемых или множителей в рядах, которое обеспечивало расхождение контрольных рассчитанных значений эллиптических интегралов с табличными [52] не более 1%.
В алгоритме, разработанном нами для плавающей ДПСЕ, вначале предусмотрены расчеты верхних пакетов. Первый определяющий фактор - #0. Он в вычислениях варьировался в диапазоне от 0,65 до 0,95. Шаг, с которым задавали его значения - 0,05. По заданному значению р0 с использованием формулы (3.30) определяется площадь надводной части поперечного сечения верхнего пакета со1.
Второй определяющий фактор - 01. Сначала задавали его произвольное значение. При принятом 01 дальнейшие расчеты выполнялись для различных сочетаний величин (р1С и 02. В данном случае теоретически 01, 02 и (р1С могут принимать значения от 00 до 900. В программе предусмотрено задание более узких диапазонов с учетом результатов предыдущих расчетов. Шаг изменения (рю был принят равным 0,010, 02 - 0,0010. Отличие в величине шагов объясняется разной чувствительностью результатов к изменению (р1С и 02 и особенностями алгоритма предлагаемого решения. При программировании по данному и ниже описанным алгоритмам предусмотрена возможность последовательного уменьшения шагов варьирования по мере приближения к искомому результату. Диапазоны модулярных углов назначали с учетом необходимости обеспечения диапазона коэффициента формы пакетов 1,25…3,00, что устанавливали в ходе вычислений. По площади со1 для данного сочетания 01 и ср1с по программе выполняется расчет модулярной высоты h1 надводной эластики в соответствии с формулой (3.29). Далее с помощью уравнений (3.3…3.6) вычисляются координаты точки сопряжения надводной эластики х1С и у1С, по формуле (3.26) - длина надводной дуги /1, согласно выражению (3.13) высота надводной части верхнего пакета hH.
При f1С не более 45о ширина верхнего пакета Ьвп определяется по формуле (3.14), в этом случае вычисляется высота расположения крайней боковой точки верхнего пакета над поверхностью воды %е с помощью выражения (3.15).
С использованием уравнения (3.34) определяется ордината точек сопряжения второй эластики в ее системе координат у2с. По этой ординате в соответствии с формулой (3.35) рассчитывается модулярная высота h2 указанной эластики.
По величине (р1С с помощью выражения (3.11) вычисляется соответствующее значение ф2С. Далее по формуле (3.18) определяется разность абсцисс второй эластики Ах2 в точках с параметрами (р2с и (р2=900. В соответствии с уравнением (3.17) рассчитывается ширина контактной поверхности верхнего пакета Ъкм.
Если ер1С больше 45о, то ширина верхнего пакета Ьвм вычисляется с использованием формулы (3.16). При указанном условии определяется высота крайней боковой точки верхнего пакета над его основанием /гб.в.0 с помощью зависимости (3.19).
По уравнению (3.20) рассчитывается осадка верхнего пакета tem затем в соответствии с формулой (3.21) вычисляется его высота hen и по известному выражению [49] - коэффициент формы Свм.
С помощью зависимости (3.26) находится суммарная длина криволинейных участков подводной части обвязки верхнего пакета /2, в соответствии с уравнением (3.37) - общая длина указанной части /иеи, с применением выражения (3.36) -вся рабочая длина упомянутой обвязки 1вм.
По формуле (3.25) определяется площадь сегментов со2к, примыкающих к криволинейным частям подводного контура сечения верхнего пакета, с помощью выражения (3.28) - площадь прямоугольной составляющей подводной части упомянутого сечения соп, с использованием уравнения (3.27) - общая площадь указанной части сопвп.
Сложением со1 и сопвп находится площадь поперечного сечения верхнего пакета совм. При переборе различных сочетаний ср1с и 92 выбор останавливается на том варианте, при котором совп оказывается наиболее близкой к 1.
Далее выполняются расчеты по нижнему пакету, площадь поперечного сечения сонвп и рабочая длина обвязки 1нп у которого такие же, как у верхнего. Здесь варьируется значение 6 . Интервал варьирования и его шаг такие же, как у 02. При сонмм=1и текущем значении (93 вычисляются по формуле (3.31) Л3, с использованием выражения (3.23) - высота нижнего пакета hHn и с помощью зависимости (3.22) - его ширина Ьнп. По аналогии с верхним пакетом определяется коэффициент формы нижнего Снм.
В соответствии с уравнением (3.24) находится превышение h6ti между крайней боковой точкой нижнего пакета и контактной поверхностью.
По формуле (3.38) вычисляется рабочая длина обвязки нижнего пакета 1НМ. В ходе расчетов нижних пакетов при переборе значений 03 выбирается вариант, в котором указанная здесь длина получается наиболее близкой к рабочей длине обвязки верхнего пакета 1вм.
Далее задавали другое значение 01 для надводной эластики и вновь выполняли описанные расчеты с перебором различных сочетаний (р1С и 02, а затем и (93. Подобные действия циклически повторяли необходимое количество раз, чтобы получить достаточное количество вариантов в диапазоне коэффициентов формы от 1,25 ло 3,00. После этого меняли значение р0 с ранее указанным шагом и для ее нового значения также получали требуемое количество вариантов. Это было сделано для всего означенного выше диапазона р0.
Первичная обработка экспериментальных данных
Способность противостоять указанным смещениям обычно характеризуется коэффициентом формы пакета Св. Известно, что чем меньше величина Св, тем лучше круглые лесоматериалы пакета и его обвязки удерживаются от относительных продольных смещений. Коэффициент формы пакета в литературных источниках принято считать критерием волноустойчивости [49, 187]. Под волно-устойчивостью понимают способность СЕ противостоять выплыванию отдельных лесоматериалов из нее при надлежащей прочности обвязок [49, 187]. Исходя из названия характеристики можно предположить, что при транспортировке древесины по средним и в особенности по малым рекам, где волнение водной поверхности незначительно этот критерий является несущественным. В действительности это не так. Упомянутые продольные смещения возможны не только под воздействием волнения, но и в результате взаимодействий пакетов друг с другом, с наплавными сооружениями, с береговыми откосами, дном водоема, механизмами. То есть коэффициент Св значим и при полном отсутствии волнения. На практике это обычно имеется ввиду и не случайно в различных технических условиях на сплотку, формирование и буксировку плотов для наиболее сложных маршрутов установлены меньшие допустимые значения Св, даже если на этих маршрутах не бывает сильного волнения. Итак, в действительности прочность пакета (пучка) оценивают по прочности его обвязок и по коэффициенту формы.
Известно и другое толкование прочности лесосплавного пучка. В источнике [38] под этим понятием подразумевается способность пучка сопротивляться разрушению под воздействием внешних сил при надлежащей прочности обвязок. В данном случае прочность пучка не сводится к прочности обвязок. Однако здесь нет упоминания о способности пучка сопротивляться возникновению остаточных деформаций, например, в результате упомянутых ранее продольных смещений. То есть пучок, сильно деформированный, но сохранивший свою целостность можно считать прочным. Полагаем, что это не совсем верно.
На наш взгляд несколько более удачным является следующее толкование рассматриваемого понятия. Прочность пакетной сплоточной единицы (пакета, ДПСЕ) – это способность ее противостоять разрушению и появлению остаточных деформаций под воздействием внешних сил. При этом для пакетных СЕ предлагается рассматривать две составляющих прочности - поперечную и продольную. Под поперечной подразумевается прочность гибких связей (обвязок). Под продольной - способность сопротивляться продольному смещению лесоматериалов, пакетов относительно гибких связей и относительно друг друга.
С учетом изложенных положений можно говорить, что волноустойчивость является частным проявлением продольной прочности. Принятое разделение прочности пакета и его волноустойчивости представляется нам не совсем верным хотя бы по причине описанного выше несоответствия, связанного с необходимостью некоторого повышения, так называемой волноустойчивости, на малых и средних реках при отсутствии значительного волнения.
При обосновании необходимой поперечной прочности плавающих пакетов, то есть прочности их обвязок, определяют расчетные усилия, возникающие в них. При этом согласно тем эмпирическим формулам [46, 179], которые заслуживают на наш взгляд наибольшего доверия, наряду с уже упомянутым здесь коэффициентом Св учитывают и относительную плотность лесоматериалов д. Обеспечивая продольную прочность пакета, в большинстве случаев ориентируются только на Св. Величину Д0 учитывают только качественно и лишь при довольно значительном отклонении этого показателя в большую сторону от средних значений. Например, если по техническим условиям для пучков из хвойных сортиментов максимально допустимое значение Св равно 2,5 или 3,0, то для пучков из лиственных сортиментов оно на этом же маршруте равно 1,75. Таким образом, при существующей системе оценки с помощью коэффициента формы достоверно можно качественно сравнить продольные прочности пакетов только при условии одинаковой плотности лесоматериалов в них. При равных коэффициентах формы возможно качественное сопоставление продольных прочностей пакетов, состоящих из лесоматериалов разной плотности. Комплексная количественная оценка продольной прочности пакетов с учетом обоих факторов до настоящего времени не использовалась. Другие параметры при рассматриваемой оценке практически игнорируются.
В связи с изложенным выше возникают вопросы о соотношении значимости критериев Св и уоь; об оправданности применения одинаковых допустимых значений Св для СЕ из лесоматериалов с р0, отличающимися менее, чем у хвойных и лиственных сортиментов (например, для еловых и сосновых); о влиянии на прочность других параметров; о комплексных количественных критериях продольной прочности; об обеспечении равнопрочности сплоточных единиц с различными сочетаниями значений определяющих факторов.
Предварительную сравнительную оценку значимости критериев Св и р0 можно выполнить по натяжению обвязок пакета. Известно, что лесоматериалы в плавающем пакете лучше удерживаются от продольных смещений при большем натяжении обвязок. В литературе для определения указанного натяжения преимущественно приводят эмпирические формулы для наиболее нагруженных верхних ветвей обвязок. Обратимся к одной из упомянутых формул, заслуживающей по мнению специалистов наибольшего доверия [46]. 2,7 + (4,4-7,1p0p0 в S 5,9С-5,05 (41) m - масса пакета, кг.
Расчеты по данной формуле, выполненные для наиболее реальных в речных условиях диапазонов рассматриваемых факторов, показали, что уменьшение Св от 2,5 до 2,0 при равенстве объемов древесины приводит к увеличению натяжения обвязок примерно на 44%, изменение р0 от 0,85 до 0,70 вызывает усиление натяжения примерно на 45%. (Изменение m при варьировании #0 учтено.) Приведенные данные показывают сопоставимость влияния рассматриваемых факторов на натяжение обвязок. Поскольку продольная прочность СЕ зависит от этого натяжения, то следует ожидать, что указанная характеристика в значительной степени зависит не только от Св, но и от р0. То есть меньшее внимание к р0 при оценке продольной прочности неоправданно. Наличие как минимум двух факторов, существенно влияющих на продольную прочность, свидетельствует о необходимости комплексной количественной оценки прочности пакетных сплоточных единиц и потребности в соответствующих критериях.