Введение к работе
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. Камусин, 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 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 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 экологичность 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 лесохозяйственном производствах» и 15 «Обоснование схем транспортного освоения лесосырьевых 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 2009–2013 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 «УГТУ»);
- 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.
