Введение к работе
Актуальность темы исследований. Вторая половина прошлого века характеризуется как время покорения сибирских рек с целью создания крупных объектов гидроэнергетики. Вместе с тем, создание водохранилищ привело к изменению ландшафтной картины территорий, микроклимата, вызвало кардинальные изменения гидрологических условий водных путей, а также к масштабным потерям ценных лесных ресурсов. Актуальной остаётся проблема сохранения лесных ресурсов при строительстве новых гидроэлектростанций, ярким примером которых служит Богучанская ГЭС, четвёртая в ангарском каскаде, где только по официальной информации затоплено около 9 млн. м3 древесины.
Гидроэнергетика является наиболее дешевым источником получения электроэнергии, поэтому будут реализованы перспективные проекты по строительству новых ГЭС в Сибири и на Дальнем Востоке. Роль катализатора в этом процессе сыграло катастрофическое наводнение 2013 года. Безусловно, избежать наводнений невозможно, но их можно минимизировать за счет инженерной защиты и строительства крупных водохранилищ. Строительство, несомненно, будет вестись, водохранилища будут создаваться, потеря лесных ресурсов также неизбежный факт.
Диссертационные исследования выполнялись в тематике Перечня приоритетных направлений развития науки, технологий и техники Российской Федерации, утверждённого Президентом РФ 07 июля 2011 г.Пр-899 (пункты «Рациональное природопользование» и «Энергоэффективность, энергосбережение, ядерная энергетика»)
Степень разработанности проблемы. Проблема засорения водохранилищ ГЭС древесиной весьма специфична и узконаправлена, данное направление ещё недостаточно полно исследовано, тем не менее, значительный вклад в решение этой проблемы внесли А.С. Горяев, В.В. Губин, И.В Губин, В.А. Иванов, С.П. Карпачёв, В.П. Корпа-чёв, В.И. Л.И. Малинин, В.И. Патякин, А.П. Роженцов, Б.И. Угрюмов, В.Н. Худоногов, М.М. Чебых, Klingbeil, C., Pearce T., Perham R. E., и другие.
Вопросам освоения древесины в прибрежных акваториях и береговой зоне водохранилищ уделяется недостаточно внимания, тем не менее, как показывают результаты натурных обследований, основные скопления так называемой «бесхозной» древесины сосредоточены именно там. Помимо плавающей древесины, наблюдается скопление значительных её запасов в обсохшем состоянии разнесённой по берегам, а также упавшей с размываемых берегов. Освоение такой древесины позволит восстановить экологическое равновесие водных бассейнов, где сформированы водохранилища; вовлечь в использование дополнительные объёмы древесного сырья. О направлениях переработки такой древесины, которая, по сути, является низкотоварной, наиболее полно отражено в исследованиях О.А. Куницкой.
В настоящее время отсутствует взаимосвязанный комплекс технических и технологических решений, направленных на очистку прибрежных акваторий и береговой зоны озёр и водохранилищ от древесины, её дальнейшей транспортировки к местам переработки. Решить эту проблему можно применением комплексных технологий освоения такой древесины на базе новых способов и устройств для их осуществления, базирующихся на принципах работы канатных трелёвочных установок.
Большой вклад в области исследований работы канатных систем внесли отечественные и зарубежные учёные занимались такие учёные такие как: Абузов А.В., Алябьев В.И., Белая Н.М., Виногоров Г.К., Гарькуша В.Н., Занегин Л.А., Ливанов А.П.,
Brownjohn J. M. W, Portier B, Czitary E. и многие другие. В известных работах проведены исследования канатных систем при неподвижных опорах и различном характере нагрузок на несущий канат при некоторых допущениях, но нет описания воздействия на плавучее основание, на котором находится одна из опор.
Немаловажным аспектом проводимых исследований, является изучение возможности транспортировки древесины, длительное время находящейся в прибрежных акваториях и имеющий недостаточный запас плавучести. Проблемой развития лесосплава занимались такие учёные как А.А. Камусин, В.П. Корпачёв, А.Н. Минаев, А.А. Митрофанов, М.М. Овчинников, В.И. Патякин, М.М. Солодухин, В.Я. Харитонов и другие.
Вышесказанное позволяет утверждать, что разработка и обоснование технологических процессов освоения древесины в прибрежных акваториях и береговой зоне водохранилищ, их техническое обеспечение на основе запатентованных решений, является актуальной проблемой.
Цель работы: повышение эффективности процессов сбора и транспортировки древесины в береговой зоне и прибрежных акваториях водохранилищ путём разработки и обоснования комплекса технических и технологических решений для их осуществления.
Задачи исследований:
-
Разработать теоретические основы формирования технических систем и технологических процессов для освоения и транспортировки древесины в прибрежных акваториях и береговых зонах водохранилищ.
-
Разработать математическую модель, позволяющую обосновать показатели процесса сбора и транспортировки древесины при помощи канатных систем, с учётом нелинейного совместного их влияния на технологический процесс и позволяющую проводить обоснованный подбор параметров канатных установок при обеспечении требуемых эксплуатационных показателей.
-
Провести многофакторные экспериментальные исследования работы устройства для сбора и транспортировки древесины в береговой зоне.
-
Провести экспериментальные исследования по определению усилий повала деревьев размываемой береговой зоны для определения возможности их применения в качестве неподвижных опор канатной транспортной системы на плавучем основании и получения недостающих эмпирических данных.
-
Провести экспериментальные исследования гидродинамических характеристик лесотранспортных единиц из древесины с ограниченным запасом плавучести, находящейся прибрежной акватории.
-
Разработать технологии комплексного освоения древесины в прибрежных акваториях и береговых зонах водохранилищ, включая транспортировку потребителям.
-
Разработать и обосновать новые технические решения для обеспечения технологических процессов сбора и транспортировки древесины в прибрежных акваториях и береговых зонах водохранилищ.
-
Определить комплекс практических рекомендаций для реализации результатов исследований в лесной сектор экономики.
Предмет исследований: технология, технологические комплексы и технические системы освоения и транспортировки древесины в прибрежных акваториях и береговой зоне водохранилищ
Объект исследований: технологические процессы сбора и транспортировки древесины в акваториях водохранилищ
Методы исследования: Использованы численные методы, методы математической статистики, математического моделирования, теории планирования эксперимента, теоретической механики, механики грунтов, гидромеханики. При проведении расчётов использовалось современное программное обеспечение: Maple 14, Matlab 6.5, Microsoft Excel 2013, Statgraphics Centurion XVII.I.
Научная новизна заключается:
- впервые научно обоснован способ транспортировки древесины с берега на воду
или плавучее основание посредством устройств для сбора и транспортировки древеси
ны;
-разработана математическая модель для обоснования параметров процесса сбора и транспортировки древесины при помощи канатных систем, с учётом нелинейного совместного влияния показателей процесса транспортировки и позволяющая проводить обоснованный подбор канатных установок при обеспечении требуемых эксплуатационных показателей;
уточнены регрессионные модели усилий повала с корневой системой деревьев береговой зоны, используемых в качестве опор канатной установки;
разработана регрессионная модель гидродинамических характеристик лесотранс-портных единиц из древесины с ограниченным запасом плавучести, находящейся прибрежной акватории.
Теоретическая и практическая значимость работы. Результаты теоретических и экспериментальных исследований позволяют:
решать задачи проектирования технологических процессов сбора и транспортировки древесины в прибрежных акваториях и береговой зоне водохранилищ;
формировать технологические комплексы для освоения древесины в прибрежных акваториях и береговой зоне водохранилищ;
определять технические параметры оборудования для сбора и транспортировки древесины в прибрежных акваториях и береговой зоне водохранилищ;
вовлечь в использование дополнительное древесное сырьё без увеличения объёма лесозаготовок.
Основные научные положения и результаты исследований, выносимые на защиту.
1. Математическая модель, описывающая работу устройства для сбора и транспор
тировки древесины в береговой зоне отличающаяся учетом нелинейного совместного
влияния скорости, веса груза, угла, параметров несущего каната и длины пролета.
-
Результаты экспериментальных исследований работы устройства для сбора и транспортировки древесины в береговой зоне.
-
Уточнённые результаты экспериментальных исследований по определению усилий повала с корневой системой деревьев береговой зоны с целью их применения в качестве опор канатной системы.
4. Результаты исследования гидродинамических характеристик лесотранспортных
единиц из древесины с ограниченным запасом плавучести, находящейся прибрежной
акватории.
-
Технические решения и рекомендации по выбору состава технологического оборудования для организации технологических процессов освоения древесины в прибрежных акваториях и береговой зоне водохранилищ.
-
Комплексные технологии освоения древесины в прибрежных акваториях и береговой зоне водохранилищ.
Соответствие диссертации паспорту научной специальности.
Работа соответствует паспорту научной специальности 05.21.01. «Технология и машины лесозаготовок и лесного хозяйства» по следующим пунктам: 3 - Разработка операционных технологий и процессов в лесопромышленном и лесохозяйственном производствах: заготовительном, транспортном, складском, обрабатывающем, лесовосста-новительном и др.; 4 - Исследование условий функционирования машин и оборудования, агрегатов, рабочих органов, средств управления; 5 - Обоснование и оптимизация параметров и режимов работы лесозаготовительных и лесохозяйственных машин.
Достоверность полученных результатов подтверждается методологической базой исследований, обеспечивается применением аналитических, теоретических и экспериментальных исследований, методов математической статистики и планирования эксперимента, сходимостью результатов теоретических и экспериментальных исследований.
Реализация результатов работы.
Основные положения диссертации использованы на практике работы ОАО «Филиал Группы «Илим» в Братском районе», ООО «Востсиблесосплав», ООО «Лесные инновации».
Результаты исследований внедрены в учебный процесс в Братском государственном университете в курсе дисциплин «Транспорт леса», направления подготовки бакалавров 250400 «Технология лесозаготовительных и деревоперерабатывающих производств» (профиль «Лесоинженерное дело); «Теоретические основы лесотранспорта», «Теория прогнозирования и обнаружения затонувшей древесины», «Теория повышения плавучести лесоматериалов». Направления подготовки магистров 35.04.02. «Технология лесозаготовительных и деревоперерабатывающих производств» (магистерская программа «Технология и оборудование лесопромышленных производств») в качестве лекционного материала.
Апробация результатов работы. Основные результаты работы обсуждены и одобрены на межрегиональных конференциях: «Естественные и инженерные науки – развитию регионов Сибири», Братск, 2002-2014; XIV международной научно-практической конференции «Экология и жизнь», Пенза, 2008; «Актуальные проблемы лесного комплекса» Брянск, 2014; на XIII Международной научно-технической конференции «Лесной комплекс: состояние и перспективы развития», Брянск, 2014; международной выставке–ярмарке «Сиблесопользование. Деревообработка», Иркутск, 2002-2013. На XIII Московском международном салоне изобретений и инновационных технологий Архимед-2010, где была получена серебряная медаль; на расширенных заседаниях кафедр профильных вузов в г. Красноярск (СибГТУ), Екатеринбург (УГЛТУ), Воронеж (ВГЛТУ).
Публикации. Результаты исследований отражены в 40 научных работах, в том числе 15 статей из перечня ВАК РФ, 13 патентах, в том числе 6 на изобретение, 1 монографии.
Личный вклад автора заключается в постановке и решении теоретических, экспериментальных и конструкторских задач, в анализе их результатов.
Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературных источников из 334 наименований, приложений. Общий объём работы 308 страниц. Работа содержит 115 рисунков и 37 таблиц.