Повышение эффективности сбора древесной массы с акваторий водохранилищ ГЭС Ангаро-Енисейского региона тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.21.01, кандидат технических наук Губин, Василий Владимирович

• Губин, Василий Владимирович
• кандидат технических наук
• 2003

Оглавление диссертации кандидат технических наук Губин, Василий Владимирович

Введение.

1 Современное состояние вопроса и задачи исследований

1.1 Засорение водохранилищ ГЭС Ангаро-Енисейского региона плавающей и затопленной древесиной.

1.2 Количественная и качественная характеристика плавающей и полузатопленной древесины.

1.3 Технологии и оборудование очистки водохранилищ от древесной массы.

1.4 Технологии комплексного освоения древесины в ложах водохранилищ.

1.5 Выводы и задачи исследований. т 2 Теоретические исследования процесса подъема древесины с поверхности воды.

2.1 Присоединенные массы воды при подъеме древесины с поверхности воды.

2.2 Усилие подъема сортимента с поверхности воды.

2.3 Усилие подъема сортимента из толщи воды.

2.4 Усилие подъема топляка.

2.5 Остойчивость плавучего основания при подъеме древесины с поверхности воды.

2.6 Выводы.

Э Экспериментальные исследования процесса подъема древесины с поверхности воды.

3.1 Цели и задачи экспериментальных исследований. я 3.2 Обоснование условий моделирования.

3.3 Описание лабораторной установки.

3.4 Методика проведения лабораторных опытов.

3.5 Анализ экспериментальных лабораторных исследований.

3.6 Выводы.

4 Анализ результатов теоретико-экспериментальных исследований.

5 Разработка технологии очистки водохранилищ

ГЭС АЕР от древесной массы.^.

5.1 Плавучий агрегат для освоения полузатопленной и плавающей древесины КЛПБ.

5.2 Сменная производительность манипуляторов, используемых для освоения полузатопленной древесины.

5.3 Технология сбора и частичной переработки древесного сырья на водохранилищах.

5.4 Выводы.

6 Обоснование экономической эффективности освоения древесной массы на водохранилищах ГЭС АЕР.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Повышение эффективности сбора древесной массы с акваторий водохранилищ ГЭС Ангаро-Енисейского региона»

Актуальность темы. Антропогенные изменения водных ресурсов достигли огромных масштабов. Ярким примером этих явлений могут служить созданные водохранилища ГЭС Ангаро-Енисейского региона (АЕР). На реках Енисей и Ангара появились крупные водохранилища - Красноярское, Саяно-Шушенское, Иркутское, Братское, Усть-Илимское, строится Богучан-ская ГЭС.

Многолетний опыт подготовки, создания и эксплуатации водохранилищ ГЭС в лесных регионах Сибири выявил проблемы экологического, экономического и социального направлений. Одними из наиболее ощутимых экологических проблем эксплуатации водохранилищ ГЭС является затопление лесопокрытых территорий с запасом леса на 1 га до 300 м3 и наличие на акватории плавающего древесного сырья.

По разным данным на акваториях водохранилищ ГЭС Ангаро-Енисейского региона находится более 4 млн. м3 древесной массы, затоплено более 22 млн. м3 древесины. Наличие такого большого объема древесной массы оказывает негативное влияние на экосистемы водных объектов на территории Сибири, плавающая древесная масса создает угрозу для работы турбин, судоходства и т. д.

Современное состояние лесопромышленного комплекса характеризуется ростом дефицита сырья. В последние годы отмечается уменьшение площади лесопокрытых территорий вследствие разного рода причин (пожары, нашествия вредителей, неэффективная заготовка леса и т.д.), что приводит к уменьшению запасов лесных ресурсов Российской Федерации. В этой ситуации необходимо эффективно использовать лесные ресурсы, разрабатывать технологии, позволяющие использовать всю древесную массу (ветви, крону, корни и т.д.), активно вовлекать в производство дополнительное древесное сырье. В качестве такого сырья можно использовать плавающую, полузатопленную и затопленную древесину.

Разработкой техники и технологий сбора древесной массы на водохранилищах ГЭС занимались ученые, работающие в области водного транспорта леса: Булов В. Г., Исаев В. Г., Корпачев В. П., Карпачев С. П., Логинов Т. И., Лещ-Борисовский А. И., Малинин Л. И., Новоселов А. В., Оношко О. А., Патякин В. И., Попов А. И., Рябоконь Ю. И., Солодухин М. М., Титов Б. А., Угрюмов Б. И., Худоногов В. Н., Чебых М. М., и другие.

Данной проблемой активно занимались такие организации как ЦНИИлесосплава, ВКНИИВОЛТ, КарНИИЛП, Гипролестранс, СевНИП, Санкт-Петербургская ГЛТА, МГУЛ, кафедра ИВР СибГТУ, БрГТУ.

В основном это были теоретические разработки технологий и агрегатов на уровне предложений, за исключением изготовленного опытного образца агрегата ЛС-101 ЦНИИлесосплава. В основу технологий и оборудования было заложено использование гидроманипуляторов. Предлагая использовать гидроманипуляторы в качестве основного элемента оборудования для подъема древесного сырья с акватории водохранилищ, разработчики не учитывали особенностей подъема древесного сырья с поверхности воды или полузатопленной древесины.

Остались не исследованы вопросы дополнительных нагрузок на гидравлический привод от действия присоединенных масс воды при подъеме древесного сырья с поверхности воды, полузатопленной древесины, производительности гидроманипуляторов, знание которых необходимо при выборе и обосновании техники сбора древесного сырья на водохранилищах. Решение этих задач является актуальным, поскольку позволяет обоснованно внести коррективы при выборе гидроманипуляторов для сбора древесного сырья с акватории водохранилищ, определить производительность гидроманипуляторов на этих операциях и, следовательно, в целом определить производительность процесса сбора и переработки собранного древесного сырья.

Цель работы. Улучшение экологической ситуации на водохранилищах ГЭС АЕР, сохранение от вырубок лесных массивов путем сбора и вовлечения в производство собранного с акваторий водохранилищ древесного сырья.

Задачи исследований:

- анализ работы существующих технологий и оборудования для сбора древесного сырья с акваторий водохранилищ;

- разработка математической модели расчета усилий подъема древесной массы с поверхности воды;

- разработка математической модели сопротивления воды движению древесины при ее подъеме из толщи воды;

- проведение экспериментальных исследований с целью определения усилий подъема древесины с поверхности воды, определения коэффициентов присоединенной массы воды;

- разработка методики расчета производительности манипуляторов при выполнении работ по очистке водохранилищ ГЭС АЕР от плавающей и полузатопленной древесной массы;

- экономическое и экологическое обоснование выполнения работ по очистке водохранилищ ГЭС АЕР от плавающей и полузатопленной древесной массы.

Научная новизна. Теоретически обосновано решение задач подъема плавающей на поверхности воды древесной массы с помощью гидроманипуляторов.

Теоретически разработан и обоснован метод решения задач по определению основных параметров движения лесоматериалов в процессе подъема их с глубины.

Экспериментальным путем получены математические зависимости по определению времени всплытия древесины t=f(Q, Н) в зависимости от глубины погружения и геометрических размеров древесины.

Разработана и исследована математическая модель определения усилий подъема сортиментов с поверхности воды в зависимости от геометрических размеров древесины и осадки сортиментов.

Экспериментальным путем получены коэффициенты присоединенных масс воды при подъеме древесины с поверхности воды.

Разработана методика расчета производительности манипуляторов на работах, связанных со сбором древесной массы на водохранилищах ГЭС.

Научные положения, выносимые на защиту.

1. Закономерности изменения усилий подъема древесины с поверхности воды.

2. Математическая модель процесса подъема древесины.

3. Закономерности изменения коэффициента присоединенной массы воды при подъеме древесины.

4. Закономерности изменения сопротивления воды при подъеме древесины с глубины.

5. Математическая модель процесса всплывания древесины.

6. Данные лабораторных и натурных экспериментов по подъему древесины с поверхности воды.

Практическая ценность.

1. Исследованиями доказана перспективность внедрения технологий освоения древесной массы на водохранилищах ГЭС АЕР.

2. Получены исходные данные для выбора силового органа (манипулятора) при использовании его на работах, связанных со сбором плавающей древесины с акваторий водохранилищ.

3. Получены регрессионные зависимости для определения времени всплывания древесины (необходимого для расчета сопротивления воды) в зависимости от глубины погружения и геометрических размеров древесины.

4. Получены регрессивные зависимости усилий подъема древесины с поверхности воды в зависимости от геометрических размеров поднимаемых сортиментов и их осадки.

5. Получена расчетная зависимость для определения коэффициента присоединенной массы воды при подъеме плавающей древесины.

6. Выполнен хронометраж работы манипулятора на Усть-Илимском водохранилище при подъеме плавающей древесины с поверхности воды и извлечении полузатопленных деревьев.

7. Результаты исследований использованы при подготовке учебного пособия.

Публикации результатов исследований. Основное содержание работы и результаты выполненных исследований опубликованы в 10 научных работах и 1 учебном пособии для вузов.

Объем работы. Диссертация общим объемом 168 стр. машинописного текста содержит: введение, шесть глав, заключение, список литературы 77 наименований, 39 рисунков, 30 таблиц, 5 приложений.

Заключение диссертации по теме «Технология и машины лесозаготовок и лесного хозяйства», Губин, Василий Владимирович

Основные результаты исследований позволяют сделать следующие выводы:

1. Анализ техники и технологий сбора и переработки древесной массы на водохранилищах ГЭС показывает, что наиболее эффективными являются технологии позволяющие «осваивать» всю древесину, т. е. плавающую, полузатопленную и затопленную.

2. Получена расчетная зависимость для определения усилий подъема древесины с поверхности воды.

3. Разработан метод теоретико-экспериментального решения проблемы подъема древесины с поверхности воды и определения сопротивления воды движению древесины.

4. Разработана методика проведения лабораторных исследований, с обоснованием закона гидродинамического подобия, разработана и изготовлена лабораторная установка для определения усилий подъема сортиментов с поверхности воды.

5. Получены математические модели для определения времени всплывания лесоматериалов, усилий подъема моделей с поверхности воды.

6. Экспериментальным путем получены коэффициенты присоединенных масс воды, возникающих при подъеме древесины с поверхности воды. Для практических целей рекомендуется принимать значение коэффициента присоединенной массы 1,15.

7. Сравнение экспериментальных и теоретически полученных коэффициентов присоединенных масс показало, что различие между ними составляет 4-5 %.

8. Предложена методика расчета сменной производительности манипуляторов, используемых на работах по сбору древесного сырья с акваторий водохранилищ ГЭС АЕР.

9. Производительность предложенной технологии сбора, сортировки и частичной переработки древесного сырья на водохранилищах ГЭС АЕР составляет 33 ООО м3 древесины 1 комплексом за навигацию.

10. Экономический эффект применения предложенной технологии составляет 1 575 ООО рублей в год (при использовании 1 комплекса).

11. Сбор плавающей, полузатопленной и затопленной древесной массы на водохранилищах не только улучшит экологическую обстановку на водных объектах, но и позволит сохранить от вырубки десятки тысяч гектаров лесных массивов.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Губин, Василий Владимирович, 2003 год

1. ЕСКД Стандарт предприятия. Требования к оформлению текстовых документов. Введен 7.07.1998 г. Красноярск: СибГТУ, 1998. - 44 с.

2. Борисовец Ю. П. Освоение древесного сырья на акваториях водохранилищ Восточной Сибири и Енисейского залива. М., 1987. — 15 с.— (Лесоэксплуатация и лесосплав: Обзор, информ. / ВНИПИЭИлеспром; вып.5)

3. Корпачев В. П. Рациональное использование водных ресурсов. Водохранилища ГЭС и лес. Красноярск: СибГТУ, 1998. - С. 5-39.

4. Кудерский Л. А. О путях развития рыбного хозяйства на внутренних водоемах // Известия государственного научно-исследовательского института озерного и речного рыбного хозяйства, том 87, 1974. — С. 15-16.

5. Филимонов С. С., Патякин В. И. Лесосплав и рыбное хозяйство. Сб. научн. тр. по лесосплаву, № 11. М.: Лесная промышленность, 1969. - С. 310.

6. Б. И. Угрюмов, А. В. Новоселов и др. Проблемы организации технологических процессов освоения «бесхозной» аварийной древесины // Учеб. пособие для студентов втузов Братск: БрИИ, 1998. -65 с.

7. Корпачев В. П., Малинин JL И. и др. Проблема загрязнения и засорения древесной массой рек и водохранилищ Ангаро-Енисейского региона / Лесоэксплуатация: Межвузовский сб. науч. тр. — Красноярск: КГТА , 1995.-С. 7-17.

8. Дзыга Н. В. Сушка пиломатериалов из затонувшей древесины лиственницы. "Использование и восстановление ресурсов АЕР" Всесоюзная научно-практическая конференция // Сб. научн. тр. II том, Красноярск, Лесосибирск, 1991. С. 9-11.

9. Филимонов С. С. Уточнение показателей сплавных свойств березы // Сб. научн. тр. по лесосплаву, № 5. — М.: Лесная промышленность, 1969. — С. 28-38.

10. Табулин А. И. Сохранение качества березовой древесины // Сб. научн. тр. по лесосплаву, № 13. М.: Лесная промышленность, 1970. — С. 3036.

11. Губин В. В. Количественная и качественная характеристика затопленной и полузатопленной древесины в водохранилищах ГЭС // Лесоэксплуатация: Межвуз. сб. науч. тр.; вып.З — Красноярск 2001. С. 28 —32

12. Рябоконь Ю. И., Чебых М. М. Охрана окружающей среды: Учеб. пособие для студентов. Красноярск: КГТА, 1994. - 144 с.

13. Логинов Т. И. и др. Лесосводка и лесоочистка водохранилищ гидротехнических сооружений/ Логинов Т. И., Лещ-Борисовский А. И., Фогель Д. Н. М.: Лесная промышленность, 1978. — 136 с.

14. Отчет Башкирской экспедиции по инвентаризации древесной и кустарниковой растительности в зоне затопления Усть-Илимской ГЭС. Уфа, 1961.

15. Корпачев В. П. Некоторые проблемы взаимодействия водохранилищ с окружающей природной средой. М., 1988. — 10 с. — Деп. в ВИНИТИ № 1826-В88.

16. Исследование мест концентрации залегания затонувшей древесины, ее качественные и механические свойства, способ хранения и переработки: Отчет / СТИ; руковод. Малинин Л. И.; Красноярск, 1992.-148 с.

17. Корпачев В. П., Губин В. В., Губин И. В. Техника и технологии очистки водохранилищ ГЭС от древесной массы / СибГТУ. — Красноярск, 2000. 34 с. - Библиогр.: 11 назв. - Рус. - Деп. в ВИНИТИ 13. 09. 00 № 2404 - BOO.

18. Суворов Е. Н., Фыгин В. С., Брюханов С. П. Модернизация катеров КС-100 А для лесосплава // Механизация рейдовых и лесосплавных работ.: Сб. тр. ЦНИИлесосплава. М.: Лесная промышленность, 1984. - С. 70-72.

19. Камусин А. А., Дмитриев Ю. Я., Минаев А. Н. И др. Водный транспорт леса: Учебник для вузов / под ред. В. И. Патякина. М.: МГУ Л, 2000.-432 с.

20. Корпачев В. П., Первушин Б. Г. Плавучий сборщик древесины стреловидного типа // Лесной комплекс и химические производства: Сб. науч. тр.- Красноярск: КГТА, 1994.

21. Корпачев В. П., Первушин Б. Г. Плавучий сборщик древесины телескопического типа // Проблемы химико-лесного комплекса: Сб. науч. тр.- Красноярск: КГТА, 1993.

22. Патякин В. И., Бейлин И. Я., Захаренков Ф. Е. и др. Суда и оборудование лесосплава.: Справ — М.: Лесная промышленность, 1976. С. 273-274.

23. Исаев В. Г. Исследование усилий при извлечении полузатопленных деревьев на водохранилищах // Гидротехнические сооружения на лесосплавеи мелиорация лесосплавных путей.: Сб. тр. ЦНИИлесосплава. — М.: Лесная промышленность, 1974. С. 83-87.

24. О. А. Оношко. Ресурсосберегающая технология доставки леса в плотах из контейнеров // Транспорт леса в плотах.: Сб. тр. ЦНИИлесосплава. -М: Лесная промышленность, 1987.-С. 13-17.

25. Мобильный плавучий комплекс машин для освоения древесины на водохранилищах. М. , 1988. — С. 6-13. — (Лесоэксплуатация и лесосплав: Экспресс-информ.: Зарубежный опыт./ ВНИПИЭИлеспром; вып. 6.).

26. Алексеев В. Г., Корпачев В. П. К вопросу определения массы лесотранспортных единиц при движении их в ограниченном водном потоке.// Лесозаготовки и лесотранспорт. — Сб. научно-исследовательских работ. — Красноярск: СТИ, 1972.-С. 151-155.

27. Бугаенко Б. А. Определение присоединенных масс эллиптического контура при подъеме его с поверхности жидкости// Труды НКИ, Николаев, 1973, вып. 78,-С. 91-99.

28. Риман И. С., Крепе Р. Л. Присоединенные массы тел различной формы. // Труды ЦАГИ, № 635, М., 1947 С. 1-46.

29. Короткин А. И. Присоединенные массы судна: Справочник. — Л.: Судостроение, 1986. С. 192-193.

30. Комаров М. И. Силы сцепления древесной плитки с водой.// Межвузовский сб. научн. тр. СТИ, 1973. Вып. 1. С. 97-100.

31. Харитонов В. Я. Исследование параметров плавающего бревна. Лесной журнал, Архангельск, АЛТИ, 1977 № 3. С. 61-65.

32. Агроскин И. И. и др. Гидравлика// Агроскин И. И., Дмитриев Г. Т., Пикалов Ф. И. -М.: Энергия, 1964 с. 350.

33. Калинович В. Ю. и др. Разработка методов механизации движения сортируемой древесины// Калинович В. Ю., Лебедев А. Н., Калихевич И. Н., ЛТА, 1938.-С.2-25.

34. Выгодский М. Я. Справочник по высшей математике. М.: Наука, 1975.-С. 701-749.

35. Пискунов Н. С. Дифференциальное и интегральное исчисления: Учебник для ВТУЗов, том 1. М.: Наука, 1972. - С. 106-110.

36. Островский В. А. Устройство для перевалки.// Совершенствование технологии первоначального лесосплава и транспорт леса в плотах и судах. Сб. тр. ЦНИИлесосплава. Вып. 29. М.: Лесная промышленность, 1978. - С. 14-17.

37. Корпачев В. П. Транспорт леса. Теоретические основы водного транспорта. Красноярск: KIT А, 1997. - С. 141-191.

38. Корпачев В. П., Рябоконь Ю. И. Сопротивление воды движению лесотранспортных единиц в водном потоке. Учебное пособие. СТИ, Красноярск, 1978.

39. Попов А. И. К вопросу установления основных параметров топлякоподъемного агрегата. Сб. научн. тр. ЦНИИлесосплава № 3. М.: Лесная промышленность, 1957- С. 87-89.

40. Худоногов В. Н., Корпачев В. П., Яринский Г. В. и др. Совершенствование техники и технологии лесосплавных работ / Отчет о научно-исследовательской работе. — Красноярск, 1991 — С. 4-13.

41. Калинович Б. Ю. О силе присоса при подъеме затонувшего судна. Сб. научно-исследовательских работ по лесосплаву № 1. — М.: Гослесбумиздат, 1951. С. 92-95.

42. Кондратьев В. М. Флот на лесосплаве: Учебное пособие. Л.: 1964. -С. 48-58.

43. Миронов Е. И., Рохленко Д.Б., Беловзоров Л. Н. И др. Машины и оборудование лесозаготовок / Справочник— М.: Лесная промышленность, 1990. С. 267-270.

44. Гороховский К.Ф., Лившиц Н. В. Машины и оборудование лесосечных и лесоскладских работ. — М.: Экология, 1991. С. 107-112.

45. Зайчик М. И., Орлов С. Ф., Тольберг А. М. и др. Проектирование и расчет специальных лесных машин.— М.: Лесная промышленность, 1976. — С. 150-152.

46. Адлер Ю. П. и др. Планирование эксперимента при поиске оптимальных условий/ Адлер Ю. П., Маркова Е. В., Грановский Ю. В.- М.: Наука, 1971. 86 с.

47. Родионов Л. М. Метод подобия и его применение к решению задач лесосплава. Л.: ЛТА, 1982. -84 с.

48. Эйснер Ф. Экспериментальная гидравлика сооружений и открытых русел. Пер. С. А. Егорова и Б. А. Фидмана. М., Л.: Объединенное научно-техническое издательство, 1937. -198 с.

49. Рауз X. Механика жидкости для инженеров-гидротехников, М., Л.: Государственное энергетическое издательство, 1958. — С. 17-35.

50. Худоногов В. Н., Корпачев В. П. Основы моделирования в лесосплавном деле: Учебное пособие для студентов лесоинженерного факультета. Красноярск: СТИ, 1974. - С. 4-18.

51. Штеренлихт Д. В. Гидравлика: Учеб. Для ВУЗов. В 2-х кн.:- 2-е изд., перераб. и доп. - М.: - Энергоатомиздат, 1991. - 351с.

52. Лаппо Д. Д., Жуковец А. М., Мищенко С. С. Условия автомодельности в исследованиях волнового движения жидкости// Известия ВНИИГ им. Б. Е. Веденеева. Т. 132. - 1979. - С. 59-65.

53. Зайдель А. Н. Ошибки измерений физических величин. Л.: Наука, 1974. -108 с.

54. Адлер Ю. П. Предпланирование эксперимента. М.: Знание, 1978.72 с.

55. Ахназарова С. Л., Кафанов В. В. Методы оптимизации экспериментов в химической технологии. -М.: Высшая школа, 1985. -326 с.

56. Закс Л. Статистическое оценивание М.: Статистика, 1975. - 350 с.

57. Вознесенский В. А. Статистические методы планирования эксперимента в технико-экономических исследованиях. М.: Статистика, 1974.-191с.

58. Налимов В. В., Голинова Г. И. Логические основания планирования эксперимента. М.: Металлургия, 1976. — 128 с.

59. Пен Р. 3., Менгер Э. М. Статистические методы в целлюлозно-бумажном производстве. М.: Лесная промышленность, 1973. — 119 с.

60. Пижурин А. А., Розенблит М. С. Исследование процессов деревообработки. М.: Лесная промышленность, 1984. — 232 с.

61. Хартман К., Лецкий Э., Шефер В. и др.Планирование эксперимента в исследованиях технологических процессов М.: Мир, 1977. - 552 с.

62. Налимов В. В., Чернова Н. А. Статистические методы планирования экстремальных экспериментов. М.: Наука, 1965. - С. 13.

63. Горский В. Г., и др. Планирование промышленных экспериментов/ Горский В. Г., Адлер Ю. П., Талалай А. М. М.: Металлургия, 1978. - 89 с.

64. Пижурин А. А. Современные методы исследований технологических процессов в деревообработке. М.: Лесная промышленность, 1972.-161с.

65. Мазин В. Д Планирование измерений и обработка результатов эксперимента: Учебное пособие, С.-Петербургский техн. универ., 1992. С. 22-23.

66. Родионов П. М. Основы научных исследований: Учебное пособие. -Л.: ЛТА, 1989.-С. 45-69.

67. Кругов В. И., Грушко И. М., Попов В. В. и др. Основы научных исследований: Учеб. для техн. вузов\ Под ред. В. И. Крутова, В. В. Попова. — М.: Высш. школа, 1989. 288 с.

68. Основы научных исследований: Методические указания к практическим и лабораторным работам для студентов специальности 26.01 дневной и заочной форм обучения. Красноярск: СТИ, 1989. - 24 с.

69. Седрисев Д. Н. Движение лесоматериалов в возбужденном гидравлической струей потоке; Дисс. канд. техн. наук. — Красноярск, 1999. -170 с.

70. JI. А. Занегин Валка деревьев с корнями // Труды ЦНИИМЭ. — М.: Лесная промышленность, 1969, вып. 96.- С. 145-150.

71. Кищенко Т. И. Заготовка деревьев с корнями. М.: Лесная промышленность, 1962, № 10.

72. Карпачев С. П., Комяков Н. В., Ковров Н. В. и др. Транспорт щепы по воде в мягких плавучих контейнерах. Обзор, информ. М.: ВНЦПИЭИлеспром, 1986. - 51 с.

73. Пациора П. П. Справочник по электросиловым и теплоэнергетическим установкам лесной промышленности. — М.: Лесная промышленность, 1975. — 496 с.