Введение к работе
Актуальность темы. Особенностями лесозаготовительной отрасли Севера европейской части страны и практически всех регионов Сибири, сдерживающими рост заготовки лесоматериалов, являются большие транспортные расстояния. В отдаленных лесоизбыточных регионах отсутствуют магистральные транспортные артерии. При этом отметим, что успехи лесной отрасли в прошлые годы и объясняются, в первую очередь, максимальным использованием для транспортировки лесоматериалов развитой речной сети. Практически все перерабатывающие предприятия были спроектированы на прием лесоматериалов с воды и до настоящего времени располагаются в устьях больших рек.
В настоящее время водный транспорт леса представлен в небольших объемах судовыми перевозками и береговой зимней сплоткой с дальнейшим выводом лесоматериалов в плотах в ранний весенний период. При этом важно отметить, что объемы зимней сплотки лесоматериалов на реках практически достигли своего предела. Для роста судовых перевозок в весенний период в создавшейся ситуации также существенных перспектив нет, так как потребуется увеличение флота, а его содержание при кратковременном периоде работы в навигацию будет обходиться очень дорого. Одним из решений проблемы является повсеместное возобновление объемов навигационной сплотки. Основой новых технологий лесосплава, предлагается навигационная сплотка лесоматериалов на малых и средних реках в течение всей навигации на базе плоских сплоточных единиц (ПСЕ) конструкции Архангельского государственного технического университета (АГТУ) с осадкой 0,25...1,1 м и объемом, соответственно, от 6 до 40 м3.
В настоящее время такая технология лесосплава находится в стадии разработки и внедрения. В частности, апробирован в течении ряда лет плотовой сплав в ПСЕ по рекам Пинеге, Онеге, Ваге и Северной Двине. Утверждены официальные технические условия на плоты из ПСЕ. Дальнейшее внедрение новых технологий сдерживается из-за отсутствия технического и научного обеспечения. Данная диссертационная работа посвящена решению конкретного вопроса этой проблемы - исследованию гидродинамических характеристик линеек из ПСЕ. Знание этих характеристик позволит выполнить конструктивные разработки новой техники и создать технологии изготовления и транспортировки лесоматериалов в ПСЕ.
Цель исследований. Обоснование гидродинамических характеристик линеек из ПСЕ в условиях лесосплава по малым рекам.
Задачи исследований:
провести анализ существующих технологий сплава лесоматериалов по малым рекам;
разработать методику и выполнить экспериментальные исследования процессов взаимодействия лесосплавных линеек из ПСЕ с водной средой при их относительном прямолинейном, равномерном движении;
построить математические модели гидродинамической картины силового взаимодействия лесосплавных линеек из ПСЕ с водной средой в процессе их буксировки;
выполнить факторизацию гидродинамического сопротивления воды движению линеек из ПСЕ;
построить математическую модель в виде уравнения регрессии сопротивления воды движению линеек из ПСЕ в зависимости от их параметров с использованием математических методов планирования эксперимента;
оценить количественное и качественное влияние факторов уравнения регрессии на выходной параметр;
проверить результаты экспериментальных исследований на влияние масштабного эффекта;
провести анализ точности результатов экспериментальных исследований путём обработки их с помощью методов математической статистики;
дать аналитическое обоснование траектории движения линеек из ПСЕ на криволинейных участках рек в зависимости от их размеров и интервала между ПСЕ.
Объект исследований. Технология сплава лесоматериалов по малым рекам.
Предмет исследований. Лесотранспортные единицы в виде линеек из ПСЕ.
Методы исследований. При проведении исследований использованы основные законы гидродинамики взаимодействия тел с жидкостью при их относительном движении, методы математического анализа, математического и физического моделирования, математической статистики и планирования эксперимента. Использовались специально разработанная буксировочная система и современные средства вычислительной техники. Для обработки экспериментальных данных применялось современное программное обеспечение: Microsoft Office 2007, Statistica 6.0 и SPSS 12.
Научная новизна диссертационного исследования:
разработана методика экспериментальных исследований гидродинамических характеристик линеек из ПСЕ на моделях разных масштабов;
впервые построена математическая модель гидродинамической картины силового взаимодействия линеек из ПСЕ с водной средой в процессе их буксировки;
разработана методика и выполнены экспериментальные исследования сил сопротивления воды движению линеек из ПСЕ с использованием математических методов планирования экспериментов;
получено уравнение регрессии с использованием теории полных факторных планов для определения силы сопротивления воды в зависимости от размеров линейки из ПСЕ и выполнен анализ количественного и качественного влияния этих размеров на величину сопротивления;
разработана методика расчета величины интервала между ПСЕ в линейках в зависимости от ширины и радиуса кривизны русла реки.
Научные положения, выносимые на защиту:
методика расчета гидродинамического сопротивления воды прямолинейному равномерному движению линеек из ПСЕ в водной среде;
методика и результаты экспериментальных исследований гидродинамических характеристик моделей линеек из ПСЕ;
математические модели для определения гидродинамического сопротивления воды движению линеек из ПСЕ и коэффициентов сопротивления;
математическая модель в виде уравнения регрессии для приведенного сопротивления воды движению линеек из ПСЕ в речном потоке, количественный и качественный анализ влияния факторов на величину гидродинамического сопротивления;
методика расчета интервалов между ПСЕ в линейке для условий лесосплава на криволинейных участках рек.
Достоверность исследований. Достоверность полученных результатов обеспечивается большим объемом выполненных экспериментальных исследований в разных масштабах с использованием современных методов математического планирования экспериментов и обработки опытных данных, хорошей сходимостью экспериментальных и теоретических исследований. Результаты получены с использованием современного программного обеспечения: Microsoft Office 2007, Statistica 6.0 и SPSS 12.
Практическая значимость. Для широкого внедрения новых технологий лесосплава на базе ПСЕ предложена технология сплава лесоматериалов по малым рекам в линейках из ПСЕ и методика расчета их транспортных характеристик. Новая технология позволяет обеспечить вывод лесоматериалов с малыми затратами на большие реки ранней весной по большинству малых рек, где раньше был молевой сплав. При этом не требуются затраты на строительство внутризаводских сухопутных дорог.
Результаты исследования гидродинамических характеристик линеек из ПСЕ могут быть использованы при конструкторской разработке новой техники, оборудования и для исследования гидродинамических характеристик других лесотранспортных единиц из ПСЕ (секции, плоты и т.д.). Представленные научные знания могут быть использованы в учебном процессе средне-профессиональной, высшей школы и в НИИ при разработке технического обеспечения новых технологий.
Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались, обсуждались и были одобрены на ежегодных научно-технических конференциях АГТУ (2007 - 2009 гг.); на Всероссийской научно-технической конференции «Научное творчество молодежи - Лесному комплексу России» (г.Екатеринбург, 2008г.).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано три научные работы, в том числе одна в изданиях по перечню ВАК Минобразования РФ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, приложения, общим объемом 129 страниц машинописного текста, содержит 40 иллюстраций, 10 таблиц и список литературы, включающий 101 наименование.
