Введение к работе
Актуальность темы. Заготовка древесины предполагает строительство временных дорог в отдельные участки лесосырьевых баз и в лесосеки, данные дороги обеспечивают доступ транспортных средств к осваиваемым участкам лесного фонда и направляют потоки лесоматериалов к лесовозным магистралям и путям транспорта общего пользования. В настоящее время ведущим и перспективным видом транспорта лесоматериалов является автомобильный, эффективная эксплуатация которого требует прокладку в лесосырьевые базы постоянных и временных лесовозных автомобильных дорог. Объемы строительства временных автомобильных дорог определяются объемом заготовки древесины, природными особенностями лесосырьевой базы, размерами лесосек. Увеличение объемов заготовки древесины, сокращение площади и ширины лесосек приводят к значительному возрастанию объемов строительства временных лесовозных автомобильных дорог и повышению себестоимости вывозки лесоматериалов.
Параметры размещения временных лесовозных автомобильных дорог в лесосырьевых базах и конкретных лесосеках определяют затраты на вывозку лесоматериалов из лесосек, а следовательно, оптимизация данных параметров с учетом природно-производственных особенностей, требований по ограничению площади и ширины лесосек является резервом повышения эффективности лесовозного автомобильного транспорта. К сожалению, опыт показывает, что применяемые принципы и схемы размещения временных лесовозных автомобильных дорог в лесосырьевых базах имеют недостатки, приводящие к увеличению затрат на вывозку лесоматериалов. Существующие аналитические зависимости и оптимизационные алгоритмы, определяющие ширину зоны тяготения к лесовозным веткам, положение и протяженность лесовозного уса в пределах лесосеки, не учитывают возможность примыкания уса к ветке под углом отличным от прямого, зависимость оптимального расстояния между погрузочными пунктами от угла примыкания уса к ветке и положения уса на лесосеке, что не позволяет специалистам, осуществляющим руководство строительством лесовозных автомобильных дорог и вывозкой лесоматериалов, оперативно принимать грамотные решения по размещению временных путей, погрузочных пунктов, разворотных петель.
Освоение удаленных от путей транспорта лесных массивов, содержащих качественную древесину, требует строительства новых лесовозных автомобильных дорог, и в том числе временных. Оптимальное размещение временных лесовозных автомобильных дорог в осваиваемых лесосырьевых базах позволит снизить себестоимость заготовки древесины и повысить эффективность лесозаготовительных производств, а потребители древесины получат качественное сырье по приемлемым ценам. Следовательно, 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. Совершенствованием теории и способов транспортного освоения лесосырьевых баз занимались отечественные и зарубежные ученые: Д. А. Попов, Б. А. Ильин, Н. А. Тюрин, Н. М. Невесский, А. А. Ранцев, Б. И. Кувалдин, В. К. Курьянов, Г. А. Борисов, И. Р. Шегельман, В. М. Заложных, В. Я. Ларионов, Д. Н. Афоничев, И. И. Леонович, Н. П. Вырко, D. Mattews, G. Larsson, J. Tan, J. Rowman. Их научные труды способствовали развитию методов и средств проектирования транспортных сетей в лесосырьевых базах и реализуются в современных системах автоматизации проектных работ. Анализ научных работ, специальной литературы позволил установить следующее: до настоящего времени не обоснованы требования к проложению временных лесовозных дорог на основе обеспечения энергоэффективности процесса вывозки лесоматериалов; при установлении положения лесовозного уса на лесосеке не учитывается изменение оптимального расстояния между погрузочными пунктами в зависимости от параметров размещения уса; известные аналитические зависимости, определяющие положение разворотных петель на лесовозном усе, установлены как функции расстояния между погрузочными пунктами и не применимы для случая размещения уса на лесосеке со смещением; в отраслевых нормативных документах и литературе нет рекомендаций по назначению параметров разворотных петель на лесовозных усах в зависимости от используемого автомобильного подвижного состава и расчетной скорости движения.
Цель диссертационной работы: повысить эффективность вывозки лесоматериалов из лесосек автомобильным подвижным составом совершенствованием размещения временных лесовозных автомобильных дорог в лесосырьевых базах.
Задачи исследования:
- обосновать углы примыкания лесовозных усов к ветке в зависимости от параметров лесосеки и экономических показателей процессов вывозки и трелевки лесоматериалов;
- уточнить положение лесовозной ветки в зоне ее тяготения в зависимости от угла примыкания лесовозных усов;
- обосновать требования к примыканиям лесовозных автомобильных дорог в одном уровне под острым углом в зависимости от расчетных скоростей движения и условий торможения на примыкающей дороге;
- установить аналитические зависимости и разработать алгоритм оптимизации положения лесовозного на лесосеке в зависимости от угла его примыкания к ветке, изменения оптимального расстояния между погрузочными пунктами, различия затрат на трелевку лесоматериалов при основных и подготовительных работах;
- установить аналитические зависимости и разработать алгоритмы оптимизации размещения и параметров разворотных петель на лесовозном усе в зависимости от расстояний между погрузочными пунктами, эксплуатационных характеристик и параметров автомобильного подвижного состава.
Предмет и объекты исследования. Предметом исследования является функция затрат на вывозку лесоматериалов из лесосек от параметров размещения временных лесовозных автомобильных дорог в лесосырьевых базах. Объекты исследования – способы и схемы размещения временных лесовозных автомобильных дорог в лесосырьевых базах.
Методологическая, теоретическая и эмпирическая база исследования. При исследовании использовались методы: определения затрат, математического анализа, дифференциального и интегрального исчисления, теории движения и эксплуатационных свойств автотранспортных средств, моделирования на ЭВМ. При проведении расчетов использовались современные ЭВМ, применялось программное обеспечение: Excel, Delphi 7 Lite Full Edition 7.3.4.3, Visual Basic 6.0. Эффективность использования результатов исследования подтверждена их внедрением в производство.
Научные результаты, выносимые на защиту:
- аналитические зависимости для обоснования целесообразности проложения лесовозных усов к ветке в части ее зоны тяготения, расположенной со стороны границы лесосырьевой базы, под углом равным оптимальному углу примыкания ветки к магистрали; оптимального угла примыкания уса к ветке; оптимального смещения ветки от равновесного положения в ее зоне тяготения, позволяющие установить параметры размещения временных лесовозных автомобильных дорог в лесосырьевых базах, обеспечивающие снижение затрат на вывозку лесоматериалов из лесосек;
- математическая модель движения лесовозных автопоездов на примыканиях лесовозных автомобильных дорог в одном уровне и алгоритм, реализующий ее, позволяющие определить расстояния видимости примыкающей дороги и боковой видимости, дополнительное расстояние видимости, площадь зоны расчистки, которые необходимы для обеспечения безопасности движения;
- зависимости для определения оптимальных расстояний между погрузочными пунктами, целевая функция суммарных удельных затрат на вывозку лесоматериалов по ветке, трелевку и устройство погрузочных пунктов, алгоритм оптимизации параметров размещения лесовозного уса на лесосеке, позволяющие установить положение лесовозного уса на лесосеке, обеспечивающее снижение затрат на трелевку и вывозку лесоматериалов;
- аналитические зависимости и алгоритм оптимизации параметров разворотной петли лесовозного уса, позволяющие определить параметры разворотной петли, обеспечивающие минимальные затраты на ее устройство, содержание и ликвидацию, безопасный разворот автопоездов в пределах лесосеки;
- целевая функция и алгоритм оптимизации параметров размещения разворотных петель на лесовозном усе, позволяющие организовать безопасный разворот автомобильного подвижного состава на лесосеке с минимальными затратами.
Научная новизна результатов исследования:
- получены аналитические зависимости для обоснования целесообразности проложения лесовозных усов к ветке в части ее зоны тяготения, расположенной со стороны границы лесосырьевой базы, под углом равным оптимальному углу примыкания ветки к магистрали; оптимального угла примыкания уса к ветке; оптимального смещения ветки от равновесного положения в ее зоне тяготения, отличающиеся учетом направлений грузопотоков по лесовозным дорогам;
- установлены закономерности изменения площади зоны расчистки и дополнительного расстояния видимости на примыканиях лесовозных автомобильных дорог в одном уровне, отличающиеся тем, что учитывают влияние угла примыкания, допустимого угла обзора и условий торможения лесовозных автопоездов на временных лесовозных автомобильных дорогах;
- определены функции суммарных удельных затрат на устройство погрузочного пункта и трелевку лесоматериалов к этому погрузочному пункту; суммарных удельных затрат на вывозку лесоматериалов по ветке, трелевку и устройство погрузочных пунктов, отличающиеся учетом угла примыкания лесовозного уса к ветке, положения уса на лесосеке, размещения трелевочных волоков, разной стоимости трелевки при подготовительных и основных работах;
- получены аналитические зависимости для оптимизации параметров разворотных петель лесовозных усов, отличающиеся тем, что учитывают параметры и эксплуатационные свойства лесовозного автомобильного подвижного состава, требования безопасности движения;
- выявлены закономерности изменения себестоимости вывозки лесоматериалов из лесосек и продолжительности рейсов автопоездов в зависимости от параметров размещения разворотных петель на лесовозном усе, отличающиеся учетом типа лесовозного автомобильного подвижного состава, конструкции покрытия разворотных петель и размещения погрузочных пунктов.
Значение для теории. Аналитические зависимости для обоснования целесообразности проложения лесовозных усов к ветке в части ее зоны тяготения, расположенной со стороны границы лесосырьевой базы, под углом равным оптимальному углу примыкания ветки к магистрали; оптимального угла примыкания уса к ветке; оптимального смещения ветки от равновесного положения в ее зоне тяготения; функции суммарных удельных затрат на устройство погрузочного пункта и трелевку лесоматериалов к этому погрузочному пункту; суммарных удельных затрат на вывозку лесоматериалов по ветке, трелевку и устройство погрузочных пунктов; закономерности изменения себестоимости вывозки лесоматериалов из лесосек и продолжительности рейсов автопоездов в зависимости от параметров размещения разворотных петель на лесовозном усе позволяют установить оптимальные параметры размещения временных лесовозных автомобильных дорог в лесосырьевых базах, обосновать оптимальную транспортную инфраструктуру внутри лесосеки для различных условий природно-производственной среды и дополняют теорию транспортного освоения лесосырьевых баз. Аналитические зависимости для определения тормозного пути лесовозных автопоездов на примыканиях лесовозных автомобильных дорог в одном уровне позволяют рассчитать расстояния видимости поверхности примыкающей дороги и боковой видимости, дополнительное расстояние видимости и дополняют теорию движения автотранспортных средств.
Значение для практики. Усовершенствованный способ транспортного освоения лесосырьевых баз позволяет снизить затраты на вывозку лесоматериалов из лесосек. Предложенные рекомендации по совершенствованию примыканий лесовозных автомобильных дорог в одном уровне обеспечивают безопасность движения лесовозных автопоездов без помех движению по главной дороге. Разработанные алгоритмы оптимизационных процедур и программы для ЭВМ позволяют в автоматизированном режиме установить оптимальные параметры размещения временных лесовозных автомобильных дорог в лесосырьевых базах, погрузочных пунктов и разворотных петель на лесовозных усах; рассчитать параметры обеспечения видимости на примыканиях лесовозных автомобильных дорог в одном уровне под острым углом; проектировать разворотные петли, что сокращает время на выполнение проектных работ и повышает достоверность принимаемых решений. Усовершенствованная конструкция сборно-разборного покрытия автомобильной дороги может использоваться для строительства разворотных петель и съездов примыканий лесовозных автомобильных дорог на грунтах со слабой несущей способностью.
Соответствие диссертации паспорту научной специальности. Полученные научные результаты соответствуют пункту 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 2010–2013 годах;
- на XIII международной молодежной научной конференции «Севергеоэкотех-2012» в ФГБОУ ВПО «Ухтинский государственный технический университет»;
- на научно-технической конференции преподавателей и сотрудников ФГБОУ ВПО «Ухтинский государственный технический университет» в 2012 г.;
- на десятой международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы развития лесного комплекса» в ФГБОУ ВПО «Вологодский государственный технический университет» в 2012 г.
Результаты диссертационной работы внедрены в следующих организациях: ООО «Желдоризыскания» (г. Воронеж); ГУП СО «ЛХПО» (Свердловская область); ООО «ИнвестФорест» (Республика Марий Эл).
Результаты диссертационной работы используются в учебном процессе ФГБОУ ВПО «ВГЛТА» при подготовке инженеров по специальностям: 250401.65 «Лесоинженерное дело», 190702.65 «Организация и безопасность движения», бакалавров по направлениям подготовки: 250400.62 «Технология лесозаготовительных и деревоперерабатывающих производств», (профиль «Лесоинженерное дело») 190700.62 «Технология транспортных процессов» (профиль «Организация и безопасность движения»), ФГБОУ ВПО «Ухтинский государственный технический университет» 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 17 научных статьях, в том числе семь – в изданиях, включенных в перечень российских рецензируемых научных журналов, в которых должны быть опубликованы основные научные результаты диссертаций, восемь статей – без соавторов. По результатам диссертационной работы получены: четыре свидетельства о государственной регистрации программ для ЭВМ (одно без соавторов), патент на изобретение и патент на полезную модель.
Структура и объем диссертационной работы. Диссертация состоит из введения, пяти разделов, включающих 27 рисунков и 21 таблицу, заключения, списка использованных источников, включающего 120 наименований, семи приложений. Объем диссертации 195 страниц.
