close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ СБОРА И ТРАНСПОРТИРОВКИ ДРЕВЕСИНЫ В ПРИБРЕЖНЫХ АКВАТОРИЯХ И БЕРЕГОВОЙ ЗОНЕ ВОДОХРАНИЛИЩ....pdf

код для вставкиСкачать
На правах рукописи
Жук Артём Юрьевич
ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ СБОРА И ТРАНСПОРТИРОВКИ
ДРЕВЕСИНЫ В ПРИБРЕЖНЫХ АКВАТОРИЯХ И БЕРЕГОВОЙ ЗОНЕ
ВОДОХРАНИЛИЩ
05.21.01 – Технология и машины лесозаготовок и лесного хозяйства
Автореферат
диссертации на соискание учёной степени
доктора технических наук
Архангельск - 2016
2
Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном
учреждении высшего образования «Братский государственный университет» (ФГБОУ
ВО «БрГУ)
Научный консультант:
Иванов Виктор Александрович
доктор технических наук, доцент
Официальные оппоненты:
Бурмистрова Ольга Николаевна, доктор технических
наук, профессор, Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Ухтинский государственный
технический университет, заведующий кафедрой технологий и машин лесозаготовок
Карпачев Сергей Петрович, доктор технических
наук, профессор, Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Московский государственный университет леса, кафедра транспорта леса, профессор
Рябухин Павел Борисович, доктор технических наук,
профессор, Федеральное государственное бюджетное
образовательное учреждение высшего образования Тихоокеанский государственный университет, декан факультета природопользования и экологии
Ведущая организация
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Сибирский
государственный технологический университет»
Защита диссертации состоится 12 апреля 2016 г. в 10.00 на заседании диссертационного Совета Д 212.008.01 на базе ФГАОУ ВО «Северный (Арктический) федеральный университет имени М.В. Ломоносова» по адресу: 163002, г. Архангельск, набережная Северной Двины, 17, ауд. 1220.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке и на сайте ФГАОУ ВО «Северный
(Арктический) федеральный университет имени М.В. Ломоносова», www.narfu.ru
Автореферат разослан
Ученый секретарь
диссертационного Совета
«
»
2016 г.
Земцовский Алексей
Екимович
3
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
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. м 3 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. Корпачёв, 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.,
4
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:
1. Разработать теоретические основы формирования технических систем и технологических процессов для освоения и транспортировки древесины в прибрежных акваториях и береговых зонах водохранилищ.
2. 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.
3. Провести многофакторные экспериментальные исследования работы устройства
для сбора и транспортировки древесины в береговой зоне.
4. 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.
5. Провести экспериментальные исследования гидродинамических характеристик
лесотранспортных единиц из древесины с ограниченным запасом плавучести, находящейся прибрежной акватории.
6. Разработать технологии комплексного освоения древесины в прибрежных акваториях и береговых зонах водохранилищ, включая транспортировку потребителям.
7. Разработать и обосновать новые технические решения для обеспечения технологических процессов сбора и транспортировки древесины в прибрежных акваториях и
береговых зонах водохранилищ.
8. 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
5
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 древесины;
-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 лесотранспортных 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 транспортировки древесины в береговой зоне отличающаяся учетом нелинейного совместного
влияния скорости, веса груза, угла, параметров несущего каната и длины пролета.
2. Результаты экспериментальных исследований работы устройства для сбора и
транспортировки древесины в береговой зоне.
3. 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.
5. Технические решения и рекомендации по выбору состава технологического оборудования для организации технологических процессов освоения древесины в прибрежных акваториях и береговой зоне водохранилищ.
6. Комплексные технологии освоения древесины в прибрежных акваториях и береговой зоне водохранилищ.
6
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, лесовосстановительном 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 научнопрактической 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, 20022013. 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.
7
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении содержится общая характеристика работы, обоснование актуальности
темы и основные положения, выносимые на защиту.
В первой главе проведен обзор и анализ работ по проблеме воздействия водохранилищ ГЭС на лесную среду, определены источники засорения водоёмов древесиной,
рассмотрены технологические процессы и их техническое обеспечение для осуществления сбора и транспортировки древесного сырья, находящегося в акваториях и разнесённого по берегам. Обосновано определение термина «бесхозная древесина», показана
необходимость внесения его в нормативные документы. Источники засорения водохранилищ плавающей и затопленной древесной массой можно классифицировать на два
вида: результат хозяйственной деятельности человека и проявление природных факторов в процессе формирования и эксплуатации водохранилищ.
Негативное воздействие на окружающую среду, вызванное созданием водохранилищ Ангарского каскада ГЭС будет продолжаться и в последующие годы. На акваториях водохранилищ Ангарского каскада ГЭС находится более 4 млн.м 3 плавающей древесной массы, затоплено более 22 млн.м3 древесины, по официальным данным только в
Богучанском водохранилище затоплено около 9 млн.м3 древесины, а значит проблема
засорения водохранилищ древесиной, будет актуальна долгие годы, оказывая негативное воздействие на водные экосистемы.
Существует заблуждение, что такую древесину не имеет смысла осваивать ввиду
больших затрат и отсутствия рынков реализации такого сырья. Отсутствует экономическая оценка целесообразности проведения технологических процессов по её сбору и
транспортировке. Однако исследования физико-механических свойств топляковой древесины показали, что она может использоваться в качестве сырья для получения широкой номенклатуры продукции.
Основной отличительной особенностью освоения «бесхозной» древесины является
невозможность выполнения этих работ ограниченной номенклатурой оборудования,
использованием единой технологии. Размерные характеристики, породный состав сырья, запас плавучести, весьма неоднородны, сама древесина находится в плавающем
состоянии, разнесена по достаточно обширной водной поверхности, затопленном и полузатопленном состоянии, в обсохшем виде на берегах водохранилищ.
Имеющиеся научные исследования по водному транспорту леса, не дают чётких
представлений о возможности и целесообразности транспортировки «бесхозной» древесины по водохранилищам.
Существующие технологические процессы освоения «бесхозной» древесины не
удовлетворяют в полной мере природно-производственным условиям водохранилищ
Ангарского каскада ГЭС, в связи с чем, требуется их корректировка, а также научное
обоснование и разработка новых технологий и их технического обеспечения для решения проблемы сбора и транспортировки такого сырья.
Во второй главе представлены новые технические и технологические решения по
повышению эффективности сбора и транспортировки древесины в прибрежных акваториях и береговой зоне водохранилищ. В работе предложены следующие разработанные
и защищённые патентами РФ способы и устройства: патент на изобретение № 2394421,
№ 2394422 патенты на полезную модель №№ 37707, 83737, 83759, 83767, 88660, 89066,
92764. На рис. 1-4 представлены некоторые из них. Разработаны технологические схемы, основанные на применении названных способов и устройств.
8
Рис 1. Устройство для формирования пучков из аварийной древесины (пат.№ 2399574)
Рис. 2 Технологическая схема освоения древесины в прибрежной акватории с помощью устройства для формирования пучков из аварийной древесины
1-прибрежная акватория, 2- поперечная запань, 3- плавающая древесина, 4устройство для формирования пучков из аварийной древесины, 5- сформированные
пучки, 6- катер, 7- топлякоподъёмный агрегат на воздушной подушке (пат. № 37707) ,
8- береговая линия
Рис.3 Способ доставки обсохшей аварийной древесины в акваторию озер и водохранилищ и устройство для его осуществления (патент РФ № 2394421)
1-плавучее основание, 2-лебедка, 3-возвратный канат, 4 - рабочий трелевочный
канат, 5-трелевочная мачта канатной установки, 6-растяжки, 7- направляющие блоки, 8мачта, 9-акватория
9
Рис.4 Устройство для сбора обсохшей аварийной древесины с механическим захватом (патент РФ № 2394422)
1-плавучее основание; 2-лебедка; 3- несущий канат; 4-тяговый канат; 5-головная
мачта; 6-растяжки; 7,8-направляющие блоки; 9-накопитель; 10- береговая зона; 11- пачка древесины; 12-механический захват; 13-тыловая опора; 14-полиспаст; 15- промежуточный башмак; 16- промежуточная опора; 17,18-крепежные канаты; 19- грузоподъёмный канат; 20-грузозахватный канат; 21-каретка.
Технологическое и техническое обеспечение процессов транспортировки освоенной «бесхозной» древесины.
Немаловажным аспектом в комплексе мероприятий по освоению древесины в береговой зоне и прибрежных акваториях водохранилищ является возможность её транспортировки путём лесосплава, что не всегда реализуемо применением существующих
технологий. Находящаяся в акваториях древесина имеет большой разброс значений запаса плавучести. Для решения задач технологического и технического обеспечения процессов транспортировки освоенной «бесхозной» древесины предложены решения, защищённые патентами РФ на изобретение № 2409021, № 2435697, №2409020, № 2399574
Технические решения по предупреждению аварий сплоточных единиц и плотов
при транспортировке в ветроволновых условиях водохранилищ Ветроволновой режим
водохранилищ ангарского каскада ГЭС имеет более суровые условия, в отличие от
большинства лесосплавных рек, поэтому к фомированию сплоточных единиц и плотов
из них должны предъявляться повышенные требования по прочности и волноустойчивости. Это напрямую влияет на появление в акватории древесины. Несомненно, соблюдение технологического регламента на проведение сплоточно-формировочных работ и
технологии лесосплава позволяют в значительной степени исключить вероятность аварийных ситуаций, приводящих к размолёвке плотов и разнесению древесины по прибрежным акваториям и береговой зоне водохранилищ. Тем не менее, как показала практика, в числе прочих факторов, влияющих на волноустойчивость плотов, является конструкция сплоточных единиц. В этой связи предложена новая конструкция сплоточной
единицы и плота из них для снижения количества машин, участвующих в её изготовлении, простоты её формирования, достаточной прочности и волноустойчивости для обеспечения безаварийной транспортировки в критических ветроволновых условиях водохранилищ.
10
Вспомогательное оборудование и такелаж. Пришедший в 90-2000-е годы в значительный упадок лесосплав, который, по существу, до сих пор очень консервативен в
технологиях, применяемой технике и инструментах, а также оснастке, всё же требует
разработки конструкций различных такелажных элементов, необходимых для обеспечения предлагаемых технических решений в области лесосплава. Предложены и получены
положительные решения о выдаче патента на изобретение такелажных замков (заявка
№№ 2014130383/11, 2014130342/11) представленных на рисунке 5.
а)
б)
Рис.5 Новые такелажные замки
В третьей главе приведены теоретические исследования работы устройств для
сбора и транспортировки древесины в береговой зоне водохранилищ, включающие в
себя разработку математической модели процесса сбора и транспортировки древесины.
Это необходимо для обоснования параметров предложенных устройств для технического обеспечения сбора и транспортировки древесины в прибрежных акваториях и береговой зоне водохранилищ.
На первом этапе проводился анализ влияния геометрических параметров системы
для сбора древесины (длина пролета l, разность высот закрепления несущего каната h),
параметров каната (погонный вес q и жесткостные свойства), веса пачки лесоматериалов
P на усилия, возникающие в точках закрепления канатов и непосредственно в самом
канате, а также на провес несущего каната. Далее получены зависимости, связывающие
указанные параметры в статике. Исходя из них, проводился анализ влияния скорости
перемещения пачки лесоматериалов на усилия в системе и провес каната. С использованием полученных оценок усилий далее проводилось обоснование параметров устройств,
отвечающих за крепление плавучего основания устройства для сбора древесины (на которой размещена одна из мачт). При выполнении исследований использованы численные методы решения и аппроксимации расчетных данных. Получены следующие выражения:
(1)
m  3,737d K1,9976 ;
q  0,0367d K1,9976 ;
(2)
S  0,3817d K1,9978,
(3)
где: m-масса 1000 м каната, кг; dK – диаметр каната, мм; q- погонный вес канатов Н/м;
S- площадь поперченных сечений проволок канатов, мм2
11
Далее получено выражение для расчёта жёсткости стальных канатов при растяжении:
K  E  S  1,3  1,7  1011  0,3817d K1,9978  0,4962  0,6489  1011  d K1,9978 . (4)
Расчет усилий и провисания каната (статическая нагрузка)
Рис.6 Расчетная схема определения провеса каната при перемещении груза
Из расчетной схемы, представленной на рисунке 6 следует система уравнений равновесия, решение которой позволяет определить значения вертикальных составляющих
реакций в точках крепления каната:

ql 2
V
l

 Pa  Hh  0;
 B
2

2
V A l  ql  Pb  Hh  0,

2
(5)
где l – длина пролета, м; a, b – расстояния до груза от левой и правой опор соответственно,м; H – горизонтальная составляющая реакции в точках крепления каната (распор), м; h – разность высот точек крепления каната, м.
Из решения системы уравнений (5) получим для реакций VA, VB следующие зависимости:
l 2 q  2 Hh  2 Pb ;
2l
l 2 q  2 Hh  2 Pa .
VB 
2l
VA 
(6)
(7)
Поперечную силу Q(x) в зависимости от координаты поперечного сечения каната
найдем по формуле:
(8)
Q x  VA  qx  P He x  b ,
где He(ξ) – единичная функция Хевисайда, ξ – аргумент единичной функции Хевисайда
(в формуле (8 ) ξ = x – b), причем единичную функцию Хевисайда определим следующим образом:

  0, He   0;

  0, He   1.


(9)
12
После подстановки выражения для VA по формуле (6) в выражение (8) для поперечной реакции Q получим:
l 2 q  2 Hh  2 Pb
Q x  
 qx  P He x  b 
2l
.
(10)
Поскольку канат практически не сопротивляется изгибу, а по условию равновесия
изгибающий момент M(x) в любом его сечении равен нулю, запишем следующее равенство:
M x   Hyx   0 ;
или иначе:
yx  
(11)
M x 
H .
(12)
Продифференцируем выражение (12) по x, получим следующую зависимость:
dy 1 dM x 
 
dx H
dx .
(13)
Поскольку производная изгибающего момента по координате x является поперечной силой Q :
dM x 
 Q x 
dx
.
(14)
Выражение (13) перепишем следующим образом:
dy Q x 

dx
H .
(15)
Под действием собственного веса и веса груза P канат принимает форму кривой S,
длина которой находится по зависимости:
l
l
l
S   ds   dx  dy  
2
0
2
0
0
2
 dy 
1    dx
 dx 
.
(16)
С учетом формулы (15), уравнение (16) представим в следующем виде:
l
S
0
 Q x  
1 
 dx
 H 
.
2
(17)
Выражение для длины кривой S по формуле (17) можно разложить в ряд с целью
упростить последующие вычисления, тогда:
l
1  Q x  
S  1  
 dx
2 H  .
0
2
Последнее выражение запишем следующим образом:
(18)
13
S l 
1
2H 2
l
 Qx  dx
2
(19)
.
Для упрощения записи перепишем зависимость (19) следующим образом:
0
S l 
1
D
2H 2 ,
(20)
где использовано обозначение:
l
D   Qx  dx
2
(21)
.
Подставим выражение для поперечной силы Q(x) по формуле (10) в зависимость
0
(21):
2
 l 2 q  2 Hh  2 Pb

D  
 qx  P He x  b  dx
2l
0
 .
l
(22)
После интегрирования выражения (22) получим общее выражение в следующей
форме:
bq  qx  P 2  Hh  Pb

D  q 

  P  b  x   He x  b  
l
l2


 lq 2 x q  3Hh  3Pb  qx 2  q 2 l 2 qx  H  h  Pb Hh  Pb2  (23)
 x  





3
4
l
l2
 2
 x 0 .
x l
Окончательно для вспомогательной величины D получим следующее выражение:
blq
 l


 Hh   b  l   P  l 4 q 2  12 H 2 h 2  24 HhPb  12 P 2b 2
  b   P 
2
2

(24)

D
12l
.
Начальная длина каната (без нагрузки) определяется в соответствии со схемой на
рисунке 5 по формуле:
L  l 2  h2 .
(25)
Относительная деформация растяжения каната ε под действием нагрузки связана с
распором H и жесткостью каната K следующей зависимостью:

H
K;
(26)

L S  L ,

L
L
(27)
поскольку:
из формулы (26) получим следующее выражение:
14
H

S  L    1
K
.
(28)
Выражения (21), (25), (28) в совокупности образуют уравнение относительно распора H:
1
H

l 2  h 2    1 
Dl 0
2
K
 2H
,
(29)
где вспомогательная величина D определяется по формуле (24).
При заданных значениях l, h, K, P, b, q уравнение (29) решается относительно величины H.
При выводе уравнения изогнутой линии каната под действием нагрузки необходимо учесть разность высот точек его закрепления. В связи с этим перепишем уравнение
(9), описывающее равновесие каната, в следующем виде:
d 2 y 1 dQ x 

dx 2 H dx ;
(30)
С учетом выражения (8) для поперечной силы Q(x) получим:
d2y
P
 q    x  b 
2
dx
H
,
(31)
где δ(x – b) – дельта–функция Дирака.
Общее решение уравнения (31) имеет следующий вид:
P  x  b
qx 2
у ( x) 
He x  b  
 C1 x  C2
H
2H
.
(32)
Для определения постоянных C1 и C2 (обеспечивающих учет особенностей закрепления концов каната на разной высоте) воспользуемся начальными условиями, которые
следуют из расчетной схемы на рисунке 5. В этом случае:
 у (0)  0;

 y (l )  h.
(33)
При начальных условиях по выражению (33), после совместного решения уравнений (32), (33) получим выражения для постоянных C1 и C2:

2 P  b  l   2 Hh  ql 2
;
C1 
2 Hl

C  0;
 2
(34)
Тогда решение уравнения (32) примет вид:
yx  
q 2 Pb  2 Pl  2 Hh  ql 2
P
x 
x   x  b He x  b 
2H
2 Hl
H
.
(35)
При этом вертикальное перемещение каната под действием собственного веса и веса груза (провес каната) рассчитаем по следующей зависимости:
15
f  y0  y  x   x 
h
 yx 
l
,
(36)
где y0 – вертикальная координата сечения каната без нагрузки.
Таким образом, уравнения (6), (7), (24), (29), (35), (36) позволяют определить реакции в точках закрепления каната VA, VB, H (что необходимо при расчете крепления плавучего основания и береговой мачты) и провес каната f.
Аппроксимация полученных расчетных данных позволила получить многопараметрическую функцию для оценки провеса каната при нахождении груза в середине
пролета (т.е. максимального значения), выраженного в процентах от длины пролета, при
варьировании массы груза G (т), диаметра каната dK (мм), угла наклона каната φ (град):
F   0,0202 2  0,291  36,166 
G 0,385
d K0, 790
.
(37)
Аналогично получена многопараметрическая функция оценки распора при варьировании массы груза G (т), диаметра каната dK (мм), угла наклона каната φ (град) (влияние прочих факторов можно считать несущественным):
H  0,00198 2  0,0193  5,004 G0, 662d K0, 700 .
(38)
Формула (38) позволяет рассчитать вертикальные реакции опор VA, VB по уравнениям (6), (7).
Уравнения (37), (38), полученные для расчета провеса несущего каната и распора
служат основой для исследований динамических реакций, расчет которых позволил
уточнить разрабатываемую математическую модель и расширить спектр ее применения
путём учета важного технологического показателя процесса доставки древесины в воду
с берега, либо с водной поверхности на берег, а именно – скорости перемещения пачки
лесоматериалов, определяющей (наряду с весом и объёмом), производительность.
Расчет динамических усилий и провисания каната (динамическая нагрузка). Рассматриваемая задача во многом специфична: в отличие от канатных трелевочных систем, у которых опоры расположены на земле, по крайней мере одну из опор устройства
для сбора и транспортировки древесины в береговой зоне, нельзя считать неподвижной.
Отметим дополнительно, что несущий канат способен оказывать сопротивление только
растяжению. В силу этого соображения можно говорить о физической нелинейности
исследуемой системы.
Решение для поперечных (по оси y) колебаний каната получим на базе уравнения
для давления R подвижного тяжелого груза, движущегося с постоянной скоростью, на
несущий канат:
d2y  V2 d2y
R  G  g  G  2  1 
 2   G,
dt
g
dx 

(39)
где g – ускорение свободного падения, м/с2;V – скорость движения груза м/с; y –
вертикальное перемещение груза при его движении, м.
16
При предположении, что вертикальное перемещение груза равно провесу несущего
каната в месте нахождения груза, получим уравнение:
y
x  l  x  
2R 
q 
;
2H
l 

(40)
после подстановки в которое выражения (39), можем записать следующее уравнение:
x  l  x  
2 V 2 d2y  
  G ,
y
 q  1 

2H
l
g dx 2  

(41)
где x – расстояние от каретки с грузом до опоры, принимаемой за начало отсчета,
м.
В уравнении (41) выражение для распора H задается формулой (38).
После ряда преобразований, уравнение (41) примет следующий вид:
2 x  l  x   V 2 G d 2 y
x  l  x  
2G 
 2  y
q 
  0.
2 glH
2H
l 
dx

(42)
При необходимости учесть угол наклона несущего каната, уравнение (39) представляется несколько иначе:
R  Gg cos   G 
d2y  V2 d2y
  G cos .
 1 

g dx 2 
dt 2 
(43)
В этом случае уравнение (43) запишем следующим образом:
2 x  l  x   V 2 G cos  d 2 y
x  l  x  
2G cos  
 2  y
q 
  0 . (44)
2 glH
2H
l
dx


Затем аппроксимированы расчетные значения максимального вертикального перемещения ymax (во всех случаях отмечается при x = l/2).
По аналогии со случаем исследования воздействия статической нагрузки, аппроксимация полученных расчетных данных позволила получить многопараметрическую
функцию для оценки провеса каната при нахождении груза в середине пролета (т.е. максимального значения) при варьировании массы груза G (т), диаметра каната dK (мм),
угла наклона каната φ (град) с учетом влияния скорости перемещения груза v (м/с):
ymax
G 0, 433  l  exp0,162v 
  0,00013  0,00184  0,228 
d K0, 751
.
2
(45)
Анализ численных решений уравнения (44) показал, что во всем диапазоне исходных данных траекторию движения доставляемой с воды пачки лесоматериалов можно
описать квадратичной зависимостью:
y
 4 y max 2 4 y max
x 
 x.
l
l2
(46)
17
Процесс развития продольных колебаний вершины мачты на плавучей платформе
описывается дифференциальным уравнением второго порядка, которое в общем виде
задается следующим образом:

d 2 X1
dX
  1 1  K 1  X 1  f  X 1   f H 1 ;
 m1
2
dt
dt

2
d
X
dX
2
2
m
2
 K 2  X 2  f  X 2   f H 2 ,
 2 dt 2
dt
(47)
где Xi – перемещение вершины мачты по оси x, м; mi – масса опоры, кг; γi – коэффициент демпфирования; Ki –коэффициент жесткости, связывающий силу сопротивления перемещению вершины опоры по оси x и усилие, противодействующие ему, Н; f(X)
– функция, характеризующая влияние усилия со стороны растягиваемого несущего каната при смещении вершин опор друг относительно друга:
f  X 1   C1 He  X 2  X 1  ;
f  X 2   C2 He  X 2   C1 He  X 2  X 1  ,
(48)
где С1, С2– усилие сопротивления растяжению каната при смещении вершин опор
друг относительно друга, Н:
K
 X 2  X1 
l
;
K
C2    X 2 
l
,
C1 
(49)
где f(H) – функция, характеризующая воздействие на опору за счет перемещения
пачки лесоматериалов (передается растягиваемым несущим канатом):
l

f1 H   H He   t 
V

;
l 
 2l


l

f 2 H   H He   t   He  t    H He   t 
V

 V
V
,
(50)
где i – индекс, соответствующий номеру опоры (1 – опора на воде, 2 – опора на берегу).
Во всех случаях максимальная амплитуда продольных колебаний отмечается при
прохождении кареткой с грузом точки, соответствующей середине пролета.
При этом характер взаимных смещений вершин опор, которые определяют удлинения (либо укорочения) секции канатной системы также сохраняется. Обозначим это
изменение длины символом L:
L  X 2  X 1.
(51)
Максимальное сближение вершин опор можно аппроксимировать следующей зависимостью:
18
Lmax 
0,0244  v1,355G 0, 483l 0, 251
cos
d K0, 047
.
(52)
Если рассматривать провес каната в месте нахождения пачки лесоматериалов как
суперпозицию двух перемещений (одно из них вызвано уменьшением длины секции
канатной системы при сближении вершин опор, второе обусловлено действием динамического усилия со стороны груза), формулы (45), (46) позволяют оценить максимальное
значение вертикального перемещения транспортируемой пачки лесоматериалов. Дополнительную величину вертикального перемещения определим через величину сближения
вершин мачт следующим образом:
 l  l  L
yдоп     
  0,5 L  2l  L 
2  2 
.
2
2
(53)
Полученные уравнения в сумме позволяют оценить максимальное значение провеса каната при перемещении пачки лесоматериалов с учетом как вертикальных колебаний, так и продольных колебаний вершин опор.
Многопараметрическая функция, учитывающая динамический характер воздействия на мачты канатной системы и несущий канат можно выразить зависимостью
H дин  0,00198 2  0,0193  5,004  G 0, 662d K0, 700 exp0,155v  .
(54)
Определение угла дифферента плавучего основания. На рисунке 7 представлена
расчётная схема для определения угла дифферента плавучего основания.

b
FT

Rя

T

T1
XT
Xя
Рис. 7 Расчётная схема определения угла дифферента плавучего основания
19
Поскольку
k  0 , можем записать:
FТ cos   RЯ cos   0 ;
cos 
R я  FТ
cos  ,
(55)
(56)
где FТ – суммарное натяжение от погрузочного каната, Н; RЯ – натяжение якорной цепи.
Н
Кроме того,
k  G , поэтому:
G  FТ sin   RЯ sin   FТ (sin   cos tg ) ,
(57)
где G – вертикальная нагрузка на плавучее основание.
Осадка плавучего основания изменится на величину:
Т 
G
gS
,
(58)
где S – площадь действующей ватерлинии, м2, ρg – удельный вес воды, кг/м3.
Плавучее основание повернется вокруг оси, проходящей через центр тяжести конструктивной ватерлинии на угол дифферента  . Дифферентующий момент от погрузочного каната запишем в следующем виде:
M ТР  ( H б  T1  Т  b) FТ cos(   )  xТ FТ sin(   )
.
(59)
Дифферентующий момент от натяжения якорной цепи:
M Я  ( H б  T1  T ) RЯ cos(   )  xЯ RЯ sin(    )
,
(60)
где Нб – высота борта плавучего основания, м; Т1 – осадка плавучего основания, м; L –
длина судна, м
Суммарный дифферентующий момент:
M дифф  M ТР  М Я
…
………………… (61)
Восстанавливающий момент:
М В  ( D  G) H 2 sin  ,…
………………..(61)
где D – водоизмещение плавучего основания, т; Н2≈Н – метацентрическая высота судна,
м
Mдифф=Мв. или иначе:
( H б  Т 1  Т  b) FТ cos(   )  ( H б  Т 1  Т ) RЯ cos(    ) 

L
RЯ sin(    )  ( D  G ) Н sin 
2
Проведя соответствующие преобразования, получим:
(62)
20


H б  T1  T  bFT cos   H б  T1  T RЯ cos   L RЯ sin 


2


  arctg
 H  T  T  b F sin   H  T  T R sin   L R cos   D  G   H 
 б 1

T
б
1
Я
Я
2

 .(63)
Параметры крепления плавучего основания с опорой ко дну водоема.
За основу модели, определяющей осадку механизма фиксации (аутригера) крепления плавучего основания ко дну водоёма, приняли положения теории проф. Агейкина,
как наиболее приемлемые применительно к решаемой задаче о взаимодействии аутригера с дном водоема, наиболее полно учитывают важнейшие параметры процесса взаимодействия штампа с дном водоема: геометрические параметры площадки контакта, влияние близлежащего твердого слоя основания (учитываемое введением в расчетные зависимости толщины деформируемого слоя основания η), непропорциональное увеличение
осадки основания по мере приближения напряжений в контакте к несущей способности
основания. На рисунках 8 и 9 представлены схемы к расчёту крепления плавучего основания и осадки штампа-крепления при вдавливании в грунт дна водоёма.
Рис.8 Схема к расчету крепления
плавучего основания
Рис.9
Схема к расчету осадки штампа–
крепления при вдавливании в грунт дна водоема:
а) –расчетная схема (1 – деформируемый слой
грунта; 2 – жесткий слой грунта (при наличии),
3 – штамп–крепление), б) – эпюра распространения нормальных напряжений вглубь массива
грунта
Угол приложения результирующей нагрузки B определяется, исходя из значения
вертикальной и горизонтальной составляющих нагрузки на опору со стороны движущегося груза и угла наклона устройства для крепления платформы с опорой к дну водоема
α:
  f  , RH , RB   f  , H ,VB  .
(64)
Проследить влияние угла наклона B и площади опорной поверхности аутригера на
осадку по направлению действия силы (определяющую смещение плавучего основания)
можно при помощи графика на рисунке 10.
21
Рис.10. Влияние отклонения от нормали угла приложения нагрузка и опорной
площади штампа-крепления на осадку
В четвёртой главе представлена методика проведения экспериментальныхисследований, состоящих из следующих частей:
1) Методика экспериментальных исследований провеса каната и динамических
усилий при транспортировке пучка. Эксперимент реализовали с использованием метода
планирования эксперимента второго порядка. Выходными параметрами являются: усилие в несущем канате; провис несущего каната. Основные влияющее факторы: длина
пролета, угол наклона несущего каната, диаметр несущего каната, вес пучка, скорость
пучка. Эксперименты выполнены на лабораторной модели, схема представлена на рисунке 11. Монтажное натяжение несущего каната в опытах составляло 1,5 кН. Динамическое усилие фиксировалось при помощи динамометра при нахождении груза в середине пролета. Определение провеса несущего каната производилось при положении
груза, соответствующем середине пролета. Для этого мерная стальная лента, прикрепленная к грузу, натягивалась над репером при помощи отвеса, далее производился отсчет по ленте. Для определения провеса необходимо было определить расстояние от
хорды пролета (определялось, исходя из параметров модели, соответствующих опыту) и
из полученного значения вычесть отсчёт, полученный по мерной ленте.
22
2) Методика проведения экспериментов
по определению критического усилия,
при котором происходит вырывание дерева, с целью определения возможности
использования их в качестве береговых
опор канатной системы.
Для этого установили значения и диапазон варьирования критических усилий,
при которых происходит вырывание деревьев и грунта. В качестве тягача был
использован буксирный катер проекта
433. Экспериментальные натурные исследования проводились в августе–
сентябре 2000 года, частично дополнены
экспериментальными данными совместно
с Горяевым А.С. в 2008 году в условиях
Братского водохранилища, окончательно
Рис.11 Экспериментальная установка:
1 – несущий канат; 2- индикатор ; 3 – материал получен в условиях УстьИлимского водохранилища в 2010-2012
динамометр; 4 – натяжное устройство
годах.
Основными лесообразующими породами береговой полосы ангарских водохранилищ
являются сосна и береза, поэтому замеры сил опрокидывания (корчевания) проводили
на деревьях этих пород. На рисунках 12 и 13 представлены схема замеров параметров
эксперимента и измерительная установка соответственно.
Рис. 12 Схема замеров параметров
Рис. 13 Измерительная установка
эксперимента
3) Методика экспериментальных исследований по определению гидродинамических характеристик лесосплавных единиц из «бесхозной» древесины с ограниченным
запасом плавучести
аналогична описанным в научных работах методикам, с некоторыми коррективами адаптирована под существующие природно-производственные
условия.
Для формирования пучков из аварийной древесины на воде выстраивали щеть,
уплотняли её катером, утягивали лебёдкой и обвязывали проволокой, а полученную
лесотранспортную единицу транспортировали к месту проведения опытов с достаточ-
23
ными глубинами акватории, и длиной буксирного каната. Измеряли длину, ширину и
осадку пучков рулеткой.
В качестве прибора для измерения усилия R использовался промышленный динамометр 9016. ДПУ–100–1 УХЛ 2 ТУ–25–06.2088–83 с предельной нагрузкой 100 кН.
Динамометр одной серьгой закрепляли на буксирном гаке катера ЛС–56, к другой серьге
крепили стальной канат диаметром 18 мм и длиной 50 м, этой длины достаточно, чтобы
избежать влияния струй от движителя катера. Скорость буксировки определялась с помощью видеофиксации простым вычислением отношения длины пройденной дистанции
ко времени её прохождения. Дистанции фиксировались через 5 метров поплавками с
грузами.
Для получения математического описания влияния размеров пачки лесоматериалов
(длина, ширина, высота) и осадки на сопротивление и для обеспечения достоверного
математического описания объекта был реализован В–план второго порядка.
В главе также приведена методика статистической обработки результатов опытов.
В пятой главе представлены результаты экспериментальных исследований. 1)
Результаты экспериментальных исследований провеса каната и динамических усилий
при транспортировке пучка.
С учетом соотношений для параметров модели и натуры, получена регрессионную
модель для расчёта динамического усилия Hдин (кН) в зависимости от диаметра несущего каната dK (мм), угла наклона несущего каната φ (град), массы пучка древесины G (т) и
скорости его транспортировки v (м/c) в натурной установке для транспортировки древесины:
H дин  0,00733d K  0,0493d K G  0,142d K v 
 0,011v  10,8Gv  0,598v 2  0,303  14,3v  13,2
.
(65)
Коэффициент детерминации R2 полученной регрессионной модели составляет
0,9660, что говорит высокой сходимости расчётных и экспериментальных данных. Дисперсия адекватности составляет 1,3962 (при числе степеней свободы 17), дисперсия воспроизводимости составляет 0,9960 (при числе степеней свободы 26), таким образом,
расчетное значение критерия Фишера Fр = 1,4018, что меньше табличного значения FT =
2,0340, что говорит об адекватности полученной модели. Графически зависимость динамического усилия Hдин (кН) от некоторых основных параметров, представлена рисунках 14-17
С учетом соотношений для параметров модели и натуры, получена регрессионная
модель для расчета провеса несущего каната ymax (м) в зависимости от длины пролета l
(м), диаметра несущего каната dK (мм), угла наклона несущего каната φ (град), массы
пучка древесины G (т) и скорости его транспортировки v (м/c) в натурной установке для
транспортировки древесины:
ymax  0,00127d K2  0,00471d K  0,0528d K G  0,00232d K l  0,0119d K v 
 0,0305G  0,00244l  0,0177v  0,0242Gl 
 0,411Gv  0,011lv  0,102l .
(66)
Коэффициент детерминации R2 полученной регрессионной модели составляет
0,9341, что говорит высокой сходимости расчетных и экспериментальных данных,
полученных на стенде. Дисперсия адекватности полученной модели составляет 2,0158
24
(при числе степеней свободы 14), дисперсия воспроизводимости составляет 0,9763 (при
числе степеней свободы 26), таким образом, расчетное значение критерия Фишера
составляет Fр = 2,0648, что меньше табличного значения FT = 2,0939, полученную
модель можно считать адекватной.
Графически зависимость провеса несущего каната от некоторых основных
параметров представлена на рисунках 18-19.
Рис.14 Максимальное динамическое
усилие в зависимости от угла наклона
несущего каната и диаметра несущего
каната
Рис.
15
Максимальное
динамическое
усилие
в
зависимости от угла наклона
несущего
каната
и
массы
лесоматериалов
Рис.16 Максимальное динамическое
усилие в зависимости от угла наклона
несущего
каната
и
скорости
перемещения лесоматериалов
Рис.
17
Максимальное
динамическое
усилие
в
зависимости от диаметра несущего
каната и массы лесоматериалов
25
Рис.18 Максимальный провес несущего
каната в зависимости от длины пролета и
угла наклона несущего каната
Рис.19 Максимальный провес несущего
каната в зависимости от длины пролёта
и и массы лесоматериалов
Расчет коэффициентов детерминации теоретических значений относительно результатов, получаемых по экспериментальным зависимостям, показал хорошую сходимость теоретических и экспериментальных данных. При сопоставлении теоретических и
экспериментальных значений максимального провеса несущего каната R2 = 0,9490, максимального динамического усилия – R2 = 0,9326.
2) Результаты экспериментов по определению критического усилия, при котором
происходит повал дерева с корневой системой
Полученные данные показывают, что факторы, значимо влияющие на усилие корчевания, так или иначе связаны между собой. С учетом необходимости использования в
регрессионных моделях только независимых факторов, а также результатов оценки коэффициентов корреляции, находили регрессионные зависимости для расчета усилия
корчевания от диаметра дерева на высоте 1,3м, как величины, оказывающей наиболее
заметное влияние на усилие корчевания. Прочие факторы в модели не включались, поскольку они находятся в тесной связи с диаметром d1,3.
Для получения более точных оценок усилия корчевания были проведены опыты с
большим числом наблюдений, в ходе которых замерлись только диаметр d1,3 и усилие
корчевания. После обработки, получены следующие регрессионные модели для оценки
усилия корчевания в зависимости от диаметра дерева на высоте 1,3 м:
- сосна, суглинок (R2 = 0,9355)
F  1,919d1,3  1,412  5,82
;
(67)
2
- сосна, песок (R = 0,7921)
F  0,5903d1,3  18,259  11,18
;
(68)
;
(69)
- береза, суглинок (R2 = 0,8314)
F  1,0189d1,3  7,277  7,585
2
- береза, песок (R = 8,650)
F  0,5762d1,3  16,396  2,372
.
(70)
26
3) Результаты экспериментальных исследований по определению гидродинамических характеристик лесосплавных единиц из «бесхозной» древесины.
После обработки результатов опытов и исключения факторов, которые на основании результатов расчёта величин tp можно предполагать незначимыми, и повторного
расчёта коэффициентов модели, регрессионная модель имеет вид:
R  12,4  1,63L  11H  0,184BT  0,0667 HL 
 0,0282B2  2,88H 2  0,0386L2  0,0944T 2 .
(71)
Коэффициент детерминации R2 полученной регрессионной модели составляет
0,8970, что говорит об удовлетворительной сходимости расчетных и экспериментальных
данных. Дисперсия адекватности модели составляет 1,8193 (при числе степеней свободы
15), дисперсия воспроизводимости составляет 1,1772 (при числе степеней свободы 24),
таким образом, расчетное значение критерия Фишера Fр = 1,5454, что меньше табличного значения FT = 2,1077. Таким образом, полученную модель можно считать адекватной.
Графически зависимость усилия буксировки пучка аварийной древесины R от некоторых факторов представлена на рисунках 20-21.
Рис. 20 Зависимость силы сопротивле- Рис. 21 Зависимость силы сопротивления
ния буксировке пучка аварийной буксировке пучка аварийной древесины от
древесины от длины и ширины пучка
длины и высоты пучка
В шестой главе рассмотрена реализация результатов исследований и оценка экономической эффективности технологического процесса сбора и транспортировки древесины в прибрежных акваториях и береговой зоне водохранилищ.
Для объективного контроля ситуации, анализа состояния прибрежных акваторий и
береговой зоны на предмет скопления «бесхозной» древесины, для разработки технологических карт на проведение комплекса мероприятий по сбору и транспортировке такой
древесины, необходим ряд подготовительных работ. На первом этапе необходимо разработать карту сосредоточения запасов «бесхозной» древесины по аналогии с таксационным описанием лесосек при проведении лесосечных работ. Это необходимо для достижения следующих целей:
- выбора варианта технологического процесса освоения древесины;
27
- определения номенклатуры машин и механизмов по видам технологических операций;
- определения численности машин и механизмов на основных и вспомогательных
операциях;
- определения состава бригады, согласованного со штатным расписанием;
- определения способа транспортировки освоенного древесного сырья;
- определения количества и состава буксирного флота и специальных механизмов и
устройств для сплава.
Таким образом, имея чёткое представление о распределении запасов «бесхозной»
древесины, в определенных местах, можно планировать объём работ по её освоению на
длительный период времени исходя из сезонной производительности комплекса технологического оборудования. Создание такой карты возможно обработкой результатов
мониторинга береговой полосы с помощью снимков, созданных беспилотными летательными аппаратами. Для ситуационной (мгновенной) оценки акваторий и береговой
зоны, можно использовать летательные аппараты, транслирующие видео картинку в
режиме реального времени.
Поскольку общая протяженность береговой линии на водохранилищах Ангарского
каскада ГЭС исчисляется десятками тысяч километров, а распределение упавшей с берегов древесины носит дискретный характер, наиболее целесообразно осуществлять её
сбор и транспортировку в сочетании с проведением лесосечных работ в береговой зоне,
в частности, при сплошной рубке пятиметровой полосы. На основании новых технических решений предложены технологические схемы для осуществления сбора и транспортировки древесины в береговой зоне и прибрежных акваториях водохранилищ.
Завершающим этапом разработки технологических процессов сбора и транспортировки древесины в прибрежных акваториях и береговой зоне водохранилищ является
способ комплексного освоения древесины в акватории и береговой зоне озер и водохранилищ, позволяющий обеспечить повышение эффективности данных процессов,
очистку береговой зоны и акваторий водохранилищ от «бесхозной» древесины в обсохшем состоянии, затопленной, а также находящейся в плавающем состоянии; снизить
экономические затраты на сбор и транспортировку такой древесины, уменьшить время
простоя оборудования, уменьшить количество машин, участвующих в освоении такой
древесины, а также решить проблему её транспортировки.
Для обоснования экономической эффективности предлагаемых технологических
мероприятий, определили показатели производственного процесса, ориентируясь на
системы машин на базе новых технических решений. Продолжительность навигации на
водохранилищах Ангарского каскада ГЭС составляет 180-200 дней, при этом время на
сбор и транспортировку «бесхозной» древесины по факту составит 150-170 дней. Один
комплект оборудования, позволяющий производить сбор и транспортировку «бесхозной» древесины, находящейся в прибрежной акватории и береговой зоне, позволяет
осваивать до 15 тыс.м3 такого сырья за навигацию при сменной производительности 9097 м3. Объём инвестиций при этом составляет 15,7 млн. руб. В расчётах делали допущение, что 100% собранной древесины реализуется на целлюлозное производство в виде
балансов, при этом, рентабельность продукции составляет 19%, а чистая прибыль 1,94
млн. руб. При продаже части сырья, например, на пиловочник II-III сорта, эти показатели, соответственно увеличатся. Анализ экономической эффективности проведения работ
по сбору и транспортировке древесины в прибрежных акваториях и береговой зоне водохранилищ позволяет говорить об экономическом эффекте мероприятий.
28
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
1. Гидротехническое строительство входит в число приоритетных направлений
развития экономики в регионах Сибири и Дальнего Востока, богатых также лесными
ресурсами, в то же время негативное воздействие на окружающую среду, вызванное
созданием водохранилищ ГЭС продолжается и будет продолжаться в последующие годы.
2. Термин «бесхозная» древесина является весьма условным, поскольку, юридическая составляющая вопроса регулируется законами № 74-ФЗ и № 200-ФЗ и ГОСТ
17.1.3.01-76. 2. Требуется разработка на региональном уровне единого нормативного
документа, конкретизирующего и исключающего двойное толкование вопроса об освоении древесного сырья в акваториях и береговой зоне водохранилищ и дальнейшей его
транспортировки по дорогам общего пользования с выдачей разрешительных документов для ГИБДД.
3. Основной отличительной особенностью освоения «бесхозной» древесины является невозможность выполнения этих работ ограниченной номенклатурой оборудования, использованием единой технологии, а существующие технологические процессы
освоения такой древесины не удовлетворяют
в полной мере природнопроизводственным условиям водохранилищ Ангарского каскада ГЭС, что требует разработки новых технологий и их технического обеспечения для решения комплексной
задачи освоения и транспортировки такого сырья. Данное направление научных исследований входит в Перечень приоритетных направлений развития науки, технологий и
техники Российской Федерации, утверждённого Президентом РФ 07 июля 2011 г. Пр899 (пункты «Рациональное природопользование» и «Энергоэффективность, энергосбережение, ядерная энергетика»).
4. Разработана математическая модель, позволяющая обосновать показатели процесса сбора и транспортировки древесины при помощи канатных систем, с учётом нелинейного совместного их влияния на технологический процесс и позволяющая проводить обоснованный подбор параметров канатных установок при обеспечении требуемых
эксплуатационных показателей.
4. Получены уравнения, позволяющие оценить максимальное значение провеса каната при перемещении пачки лесоматериалов с учетом как вертикальных колебаний, так
и продольных колебаний вершин опор.
5. По результатам экспериментов, выполненных для получения более точных оценок усилия повала деревьев с корневой системой, установлено, что усилие повала можно представить как линейную функцию диаметра дерева на высоте 1,3 м. Деревья, произрастающие на размываемых берегах водохранилищ могут использоваться в качестве
опор канатных систем устройств для сбора и транспортировки древесины, при граничных условиях, обеспечивающих безопасность их эксплуатации: расстояние не более 2 м
от дерева до кромки берега, диаметр на высоте 1,3 м не менее 30 см для сосны. Использование для этих целей берёзы нецелесообразно.
6. Результаты экспериментальных исследований по определению со-противления
буксировке пучков из аварийной древесины с ограниченным запасом плавучести, показали возможность и целесообразность транспорта такой древесины лесосплавом.
7. На основе разработанных способов и устройств, защищённых патентами РФ,
предложены технологии комплексного освоения древесины в прибрежных акваториях и
береговой зоне водохранилищ, позволяющие обеспечить количественную и качествен-
29
ную очистку береговой зоны и акватории водохранилищ от древесины в обсохшем состоянии, полузатопленной, а также древесины, находящейся в акваториях водохранилищ в плавающем состоянии; снизить экономические затраты на сбор и транспортировку такой древесины, уменьшить время простоя оборудования, уменьшить количество
машин, участвующих в освоении такой древесины, а также решить проблему её транспортировки.
8. Один комплект оборудования, позволяющий производить сбор и транспортировку «бесхозной» древесины, находящейся в прибрежной акватории и береговой зоне,
позволяет осваивать до 15 тыс.м3 такого сырья за навигацию (150-170 дней). Срок окупаемости капитальных вложений составит 8 лет, что, учитывая непродолжительное время эксплуатации оборудования в году, является приемлемым показателем.
9. При поставке освоенного сырья только лишь на целлюлозное производство,
рентабельность продукции составляет 19%, а чистая прибыль, при освоении 15 тыс.м3
за навигацию составит 1,94 млн. руб. При продаже части сырья, например, на пиловочник II-III сорта, эти показатели, соответственно увеличатся. Анализ экономической эффективности проведения работ по сбору и транспортировке древесины в прибрежных
акваториях и береговой зоне водохранилищ позволяет говорить об экономическом эффекте мероприятий.
ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ
ОПУБЛИКОВАНЫ В РАБОТАХ
В изданиях из перечня ВАК
1. Горяев А.С. Жук А.Ю. Обоснование способов освоения аварийной древесины в
береговой зоне водохранилищ. Вестник КрасГАУ. 2009. № 11(38). – С. 175-181.
2. Жук А.Ю., Горяев А.С. Теоретические исследования работы устройства для
сбора и транспортировки древесины с берегов Вестник КрасГАУ. – 2010. - № 5(44). – С.
99-105.
3. Жук А.Ю., Яковлев В.В. Обоснование параметров устройств для механизации
процессов освоения аварийной и свежесрубленной древесины в береговой зоне водохранилищ Вестник КрасГАУ. – 2010. - № 6(45). – С. 124-128.
4. Горяев А.С., Жук А.Ю., Федяев А.А. Разработка новых способов очистки береговой зоны водохранилищ. Системы. Методы. Технологии. – 2011. - № 2 (10) – С. 130 –
134.
5. Жук А.Ю., Яковлев В.В. Расчет максимального веса транспортируемой пачки
лесоматериалов при работе устройств для сбора и транспортировки древесины с учетом климатических факторов. Вестник КрасГАУ. – 2011. - № 7 (58). – С. 162-166.
6. Жук А.Ю. Техническое обеспечение сплава древесины, утратившей плавучесть.
Системы. Методы. Технологии. – 2011. - № 2 (10) – С. 135 – 138.
7. Жук А.Ю. Результаты натурных экспериментальных исследований гидродинамических качеств сплоточных единиц из древесины с ограниченным запасом плавучести. Системы. Методы. Технологии. – 2014. - № 2(22) С125-131
8. Жук А.Ю. Гидродинамические качества хлыстовых пучков из древесины с ограниченным запасом плавучести. Системы. Методы. Технологии - 2014 № 4 (24) С.160-165
9. Жук А.Ю. Математическая модель динамического воздействия на опоры канатной системы при работе устройства для сбора и транспортировки древесины в береговой
зоне водохранилищ. Научное обозрение-2015 № 9 С. 70-74.
30
10. Жук А.Ю. Организационно-правовые аспекты реализации технологических
процессов освоения древесины в прибрежных акваториях и береговой зоне водохранилищ [Электронный ресурс]// Современные проблемы науки и образования. – 2015. - № 1
URL: hhtp://www.science-education.ru/121-19122 - 27.06.2015
11. Жук А.Ю. Математическая модель работы устройства для сбора и транспортировки древесины в береговой зоне водохранилищ при статической нагрузке, действующей на несущий канат [Электронный ресурс]// Современные проблемы науки и образования. – 2015. - № URL: hhtp://www.science-education.ru/121-19087 - 27.06.2015
12. Жук А.Ю. Результаты экспериментальных исследований динамического воздействия при работе устройства для сбора и транспортировки древесины в береговой
зоне водохранилищ.// Фундаментальные исследования. – 2015. № 2-21 С. 4617-4621
13. Жук А.Ю. Методика экспериментальных исследований по определению критического усилия, при котором происходит опрокидывание деревьев на размываемых
берегах водохранилищ [Электронный ресурс ]// «Инженерный вестник Дона», 2015 № 3
URL: http:// ivdon.ru/ru/magazine/archive/n3y2015/3253 – 10.10.2015
14. Жук А.Ю. Технические решения по обеспечению технологических процессов
водного транспорта «бесхозной» древесины. Новые такелажные замки. [Электронный
ресурс]//
«Инженерный
вестник
Дона»,
2015
№
3
URL:
http://
ivdon.ru/ru/magazine/archive/n3y2015/3201-10/10/2015 -10.10.2015
15. Жук А.Ю. Критические усилия опрокидывания деревьев береговой зоны водохранилищ при использовании их в качестве опор канатной системы устройств для сбора
и транспортировки древесины// Фундаментальные исследования. 2015. № 12-2 С. 258263
Монографии
16. Угрюмов Б.И., Новоселов А.В., Жук А.Ю. Лесопользование в прибрежных акваториях водохранилищ.- Братск: Изд-во БрГУ, 2012. – 160 с.
Патенты
17. Горяев А.С., Жук А.Ю. Способ доставки обсохшей аварийной древесины в акваторию озер и водохранилищ и устройство для его осуществления. Патент на изобретение № 2394421 от 20.07.2010.
18. Горяев А.С., Жук А.Ю., Угрюмов Б.И. Устройство для сбора обсохшей аварийной древесины с механическим захватом. Патент на изобретение № 2394422 от
20.07.2010.
19. Горяев А.С., Жук А.Ю. Устройство для формирования пучков из аварийной
древесины. Патент на изобретение № 2399574 от 20.09.2010.
20. Жук А.Ю. Устройство для сплава древесины с ограниченным запасом плавучести и не имеющей запаса плавучести. Патент на изобретение № 2409021 от 20.01.2011.
21. Жук А.Ю. Сплоточная единица для транспортировки древесины. Патент на
изобретение № 2409020 от 20.01.2011.
22. Жук А.Ю. Способ изготовления сплоточных единиц с искусственным подплавом из топляковой древесины с ограниченным запасом плавучести и не имеющей запаса
плавучести и устройство для его осуществления. Патент на изобретение № 2435697 от
10.12.2011.
23. Угрюмов Б.И., Михайлов Ю.Ю., Жук А.Ю., Ахметшин И.Ф. Топлякоподъёмный агрегат на воздушной подушке. Патент на полезную модель № 37707 от 10.05.2004.
31
24. Горяев А.С., Жук А.Ю., Угрюмов Б.И. Устройство для сбора и доставки обсохшей аварийной древесины. Патент на полезную модель № 83737 от 20.06.2009.
25. Жук А.Ю., Горяев А.С., Угрюмов Б.И Устройство для сбора и транспортировки древесины с береговой зоны. Патент на полезную модель № 83759 от 20.06.2009.
26. Жук А.Ю., Горяев А.С., Угрюмов Б.И. Агрегат для сбора и транспортировки
аварийной «бесхозной» древесины с берегов. Патент на полезную модель № 83767 от
20.06.2009.
27. Жук А.Ю. Агрегат для сбора и транспортировки древесины с берегов. Патент
на полезную модель № 88660 от 20.11.2009.
28. Жук А.Ю. Устройство для сбора и транспортировки древесины с берегов с механизмами фиксации положения. Патент на полезную модель № 89066 от 27.11.2009.
29. Жук А.Ю., Горяев А.С., Угрюмов Б.И. Устройство для сбора аварийной "бесхозной" древесины с берегов. Патент на полезную модель № 92764 от 10.04.2010.
В сборниках трудов конференций и других изданиях
30. Патякин В.И., Рунова Е.М., Иванов В.А., Жук А.Ю. Прогнозирование переформирования берегов водохранилищ на примере залива Зяба Братского водохранилища БрГТУ. – Братск, 2001 – 13 с. Деп. в ВИНИТИ от 05.03.01. № 554 – В 2001.
31. Жук А.Ю., Горяев А.С. Технология сбора и сплотки аварийной древесины.
Труды Братского государственного университета: Сер.: Естественные и инженерные
науки – развитию регионов Сибири: в 2 т. – Братск ГОУ ВПО «БрГУ», 2009. – Т.2. - 288
с.
32. Жук А.Ю., Горяев А.С. Разработка и обоснование новых способов лесопользования в береговой зоне водохранилищ. Труды Братского государственного университета: Сер.: Естественные и инженерные науки – развитию регионов Сибири: в 2 т. – Братск
ГОУ ВПО «БрГУ», 2009. – Т.2. - 288 с.
33. Жук А.Ю. Обоснование параметров устройств технического обеспечения технологических процессов освоения аварийной и топляковой древесины в береговой зоне
водохранилищ. Труды Братского государственного университета: Сер.: Естественные и
инженерные науки – развитию регионов Сибири: в 2 т. – Братск: ГОУ ВПО "БрГУ",
2010. – Т. 2 – 332 с.
34. Даниленко О.К., Угрюмов Б.И., Жук А.Ю. Лесопользование при подготовке
лож водохранилищ. Труды Братского государственного университета: Сер.: Естественные и инженерные науки – развитию регионов Сибири: в 2 т. – Братск: ГОУ ВПО
"БрГУ", 2010. – Т. 2 – 332 с.
35. Жук А.Ю. Методика расчета максимального веса транспортируемой пачки лесоматериалов при работе устройств для сбора и транспортировки древесины с учетом
некоторых факторов. Труды Братского государственного университета: Сер.: Естественные и инженерные науки - развитию регионов Сибири: в 2 т. – Братск: Изд-во БрГУ,
2011. – Т. 2. – 252 с.
36. Жук А.Ю. Использование «бесхозной» древесины, находящейся в прибрежных
акваториях и береговой зоне водохранилищ. Актуальные проблемы лесного комплекса/
Под общей редакцией Е.А. Памфилова. Сборник научных трудов по итогам международной научно-технической конференции. Выпуск 38. – Брянск: БГИТА, 2014. – 267 с. С
219-223.
32
37. Жук А.Ю., Сорокин Д.А. Экономические предпосылки освоения «бесхозной»
древесины, находящейся в прибрежных акваториях и береговой зоне водохранилищ.
Труды Братского государственного университета: Сер.: Естественные и инженерные
науки т 1. – Братск: ГОУ ВПО "БрГУ", 2014. – Т. 1 -407 с. С 319-322.
38. Жук А.Ю. Технология комплексного освоения древесины в акватории и береговой зоне озер и водохранилищ. Труды Братского государственного университета: Сер.:
Естественные и инженерные науки т 1. – Братск: ГОУ ВПО "БрГУ", 2014. – Т. 1 -407 с.
С 323-326.
39. Жук А.Ю. Использование беспилотных летательных аппаратов для оценки объёмов и распределения «бесхозной» древесины, находящейся в прибрежных акваториях и
береговой зоне водохранилищ. Актуальные проблемы лесного комплекса/ Под редакцией Е.А. Памфилова. Сборник научных трудов. Выпуск 39. – Брянск: БГИТА, 2014.- 147
с. С 5-7.
40. Жук А.Ю. Расчёт параметров крепления плавучего основания устройства для
сбора и транспортировки древесины с опорой на дно водоёма. Труды Братского государственного университета: Сер.: Естественные и инженерные науки т 1. – Братск: ГОУ
ВПО "БрГУ", 2015. – Т. 1 -407 с. С 319-322.
Просим принять участие в работе диссертационного Совета или прислать Ваш отзыв на автореферат в двух экземплярах с заверенными подписями по адресу: 163002, г.
Архангельск, набережная Северной Двины, 17, Северный (Арктический) федеральный
университет имени М.В. Ломоносова, Ученому секретарю диссертационного Совета Д
212.008.01 тел. 8(8182)216149, e-mail: a.zemtsovsky@narfu.ru.
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа