Повышение эффективности водного транспорта сортиментов в пучковых плотах путем совершенствования их гидродинамического качества тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.21.01, кандидат технических наук Казначеева, Наталья Игоревна

• Казначеева, Наталья Игоревна
• кандидат технических наук
• 2008

Оглавление диссертации кандидат технических наук Казначеева, Наталья Игоревна

ВВЕДЕНИЕ.

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧА ИССЛЕДОВАНИЯ.

1.1. Гидродинамическая картина сложного силового воздействия воды на движущийся в ней пучковый плот.

1.2. Гидродинамические качества хорошо обтекаемых тел, двигающихся в воде.

1.3. Гтдродинамические качества плохообтекаемого тела.

1.4. Экспериментальные исследования коэффициента сопротивления пучковых плотов.

1.5. Эксплуатационные режимы буксировки плотов.

1.6. Математические методы оптимизации.

1.7. Выводы по состоянию вопроса и постановка задачи исследования.

2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ.

2.1 Силы сопротивления, действующие на пучковый плот при движении в жидкости.

2.1. Геометрическое, кинематическое и динамическое подобие движения тел в маловязкой жидкости.

2.2. Коэффициенты сопротивления сил давления и трения при движении сплоточной единицы в воде.

2.3. Водопоглощение материала древесины в процессе транспорта.

2.4. Выводы.

3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА

СОПРОТИВЛЕНИЯ МОДЕЛЕЙ ПУЧКОВ.

3.1. Методика проведения опытов.

3.2. Результаты экспериментальных исследований.

3.3. Аналитическое обобщение полученных результатов.

3.4. Выводы.

4. ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИЕ РЕЖИМЫ ДВИЖЕНИЯ ПЛОТОВ.

4.1 Оптимизация методом вариационного исчисления.

4.2. Режимы минимума энергетических затрат.

4.3. Выводы.

5. ТЕХНОЛОГИЯ ПАКЕТИРОВАНИЯ СПЛОТОЧНЫХ ЕДИНИЦ.

5.1. Оптимизация берегового пути спуска пучков на воду.

5.2. Технология пакетирования пучков на берегу.

5.3. Технология пакетирования пучков на воде.108.

5.4. Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Повышение эффективности водного транспорта сортиментов в пучковых плотах путем совершенствования их гидродинамического качества»

Актуальность темы. Водный транспорт леса является важной

I ' составляющей развития лесной промышленности. Известно, что по сравнению с сухопутным транспортом он обладает существенно меньшими удельными затратами на эксплуатацию транспортных средств, благодаря естественным готовым путям, не требующих больших капиталовложений на их формирование и обслуживание. Несмотря на наблюдавшееся в последние годы снижение объёмов транспорта заготавливаемых лесоматериалов водным путем, вызванного как объективными, так и субъективными причинами, сами объёмы остаются достаточно большими, поэтому его развитие в рыночных условиях экономики является перспективным направлением в лесной отрасли народного хозяйства.

Перед транспортом лесоматериалов в пучковых плотах, являющегося наиболее рентабельной составляющей транспорта заготавливаемого древесного сырья и основной составляющей водного транспорта леса, ставится задача перспективного развития путём совершенствования сплоточных единиц за счет повышения их гидродинамического качества и оптимизации режимов буксировки плотов, что позволит дальнейшее снижение удельной энергоёмкости технологического процесса лесосплава.

К необходимости решения поставленной задачи подводит анализ состояние цен на рынке углеводородного топлива и лесоматериалов: темпы роста первых существенно превышают последние.

Совершенствование технологии плотового сплава лесоматериалов так же связано с необходимостью разработки надежных способов сохранения экологии природных водных путей.

Таким образом, решение задачи формирования пучковых плотов с высоким гидродинамическим качеством и сохранностью экологии естественной водной среды при энергосберегающих режимах буксировки становится актуальным и востребованным лесной промышленностью.

Цель работы и задача исследования. Целью работы является повышение эффективности технологического процесса транспорта

I ' сортиментов в пучковых плотах путём обеспечения гидродинамического совершенствования сплоточных единиц и формулированием энергосберегающих режимов буксировки при соблюдении экологической сохранности природных водных путей.

Исходя из поставленной цели сформулирована следующая задача исследования:

- построить математическую модель сложной гидродинамической картины силового взаимодействия сплоточной единицы с водой в процессе транспортировки,

- выполнить факторизацию сил сопротивления движению,

- на основании теории подобия найти автомодельные области для коэффициентов сил сопротивления давления и трения,

•а

- разработать способ снижения коэффициентов сил давления и трения для сплоточных единиц и. его технологическую реализацию,

- провести экспериментальные исследования на моделях и их аналитическое обобщение на натуру,

- на основании вариационного исчисления сформулировать энергосберегающие режимы движения плотов,

- на основании вариационного исчисления построить оптимальный процесс спуска пучков в воду.

Объекты и методы исследования. Объектом исследования являются сплоточные единицы водного транспорта леса в виде жестко связанных пучков сортиментов. Теоретические и экспериментальные исследования выполнены на основании механики сплошных сред, технической гидродинамики, теории подобия, теории принятия оптимальных решений, вариационного исчисления, теории вероятности и статистики.

Научная новизна.

- разработана математическая модель воздействия сил давления на лобовую поверхность сплоточной единицы,

- разработана математическая модель воздействия сил трения на боковую поверхность сплоточной единицы,

- построена гидродинамическая картина сил сопротивления при стоке жидкости в результате процесса водопоглощения материала древесины,

- предложен способ повышения гидродинамического качества сплоточных единиц из сортиментов путем заключения их в водонепроницаемую оболочку и придания лобовой поверхности хорошо обтекаемой формы,

- сформулирован метод расчета энергосберегающих режимов буксировки,

- построена траектория быстрейшего спуска пучков на воду.

Научные положения, выносимые на защиту

- математическая модель гидродинамических сил, действующих на плот при водопоглощении материала древесины,

- способ повышения гидравлического качества сплоточных единиц из сортиментов путём заключения их в водозащитные пакеты из водонесмачиваемого материала,

- геометрическая форма лобовой поверхности сплоточной единицы, снижающая силы вихревого сопротивления,

- результаты экспериментальных исследований моделей плотов, аналитическое обобщение модельных исследований на натуру,

- методика расчета оптимальных режимов буксировки на основании вариационного исчисления,

- методика расчета быстрейшей траектории спуска пучков на воду.

Обоснованность и достоверность научных положений подтверждается аналитическим обобщением опытных данных, обработанных методами математической статистики в универсальных пакетах прикладных программ на дискретном уровне надежности 0,95, корректностью принятых допущений при построении математических моделей на основании материалов научных работ специалистов, учебной и методической литературы, материалов периодических изданий и сведений их сети Интернет.

Практическая значимость.

Для водного транспорта сортиментов в плотах предложена новая технология формирования сплоточных единиц как водонепроницаемых пакетов из водонесмачиваемого материала, обладающих высоким гидродинамическим качеством, благодаря которому возможно снижение себестоимости транспортировки на 10-12%. Помещение сортиментов в водонепроницаемые пакеты эквивалентно снижению плотности древесины, которое, как известно, увеличивает запас плавучести, уменьшает осадку пучка при том же объёме древесины и увеличивает время проплава.

Снижению себестоимости буксировки плотов будет способствовать так же соблюдение энергосберегающих режимов водного транспорта.

Место проведения. Работа выполнена в Санкт-Петербургской государственной лесотехнической академии на кафедрах Водного транспорта леса и гидравлики и Технологии лесозаготовительных производств.

Апробация работы. Основные научные положения диссертации обсуждались и были одобрены на научно-технических конференциях МГУЛ и СПбГЛТА (2007г., 2008г.).

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликованы 3 печатные работы.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех разделов, основных выводов, списка литературы 102 наименований. Общий объем работы 121 стр., включая 38 рисунков и 3 таблиц.

Заключение диссертации по теме «Технология и машины лесозаготовок и лесного хозяйства», Казначеева, Наталья Игоревна

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ

Водный транспорт лесоматериалов в плотах является востребованным для народного хозяйства, как существенно более экономичный и экологичный по сравнению с железнодорожным и автомобильным. Ввиду . о того, что темпы роста углеводородного топлива в настоящее время существенно превышают стоимость лесоматериалов, повышение его эффективности становится актуальным.

Гидродинамические качества сплоточных единиц сортиментов являются низкими по сравнению с телами оптимальной формы и телами вращения. Это обусловлено существенно более высоким значением коэффициента сопротивления и низким коэффициента добротности. К не энергосберегающим факторам следует отнести нестационарные колебательные режимы скорости буксировки и водополглощение древесины.

Теоретические исследования включают математическую модель формирования коэффициентов сопротивления для сплоточной единицы сортиментов как плохо обтекаемого тела в условиях водопоглощения, анализ геометрического, кинематического и динамического подобия движения тел в маловязкой жидкости, формулировку энергосберегающих режимов буксировки плотов на основании оптимизации методом вариационного исчисления.

Выполненные теоретические и экспериментальные исследования показывают, что гидродинамическое совершенствование плотообразующих сплоточных единиц сортиментов приводит к существенному снижению энергозатрат на транспортировку. Это достигается путем насадки хорошо обтекаемых форм на носовую часть первых рядов пучков, и помещение пучков в водонепроницаемые пакете из водоотталкивающего материала.

Энергосбережение при буксировке плотов достигается так же при соблюдении постоянства скорости и ускорения (замедления) движения.

113

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Казначеева, Наталья Игоревна, 2008 год

1. Шлихтинг Г. Теория пограничного слоя. - М . : Наука, 1969.-742 с.

2. П.Чжён. Отрывные течения. - М.: Мир, 1972. —298 с. # ,.. 3. Meksyn D. New Method Laminar Bounder-Layer Theory, P.P., N.Y., 1961. p.p. 16-109/

3. Dry den H.L. The Role of Transition from Laminar to Turbulent Flow in Fluid Mechanics. P.P.. Philadelphia, 1941.

4. Kreith F. Principles of Heat Transfer. I.T.B., Pa.,1958.

5. Гидробионика в судостроении.- M.: ЦНИИТЭИ, 1970.-270 с.

6. Патрашев А.Н., Кивако Л.А., Гожий СИ. Прикладная гидромеханика. М.: Воениздат, 1970.-684 с.

7. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Гидродинамика. М.: Наука, 1988.-732 с.

8. Справочник по водному транспорту леса./ Под ред. Щербакова В.А.. М.: Лесная промышленность, 1986.-384 с.

9. Водный транспорт леса: Справочник/ Под ред. В.И.Патякина-М.: Лесная промышленность, 1973.-408 с.

10. Лебедев Н.И., ПоминоваГ.И. Водный транспортлеса. -М. : Лесная промьпшгенностьД987.-368 с.

11. Методические указания по транспортным расчетам буксировки пучковых плотов.- М.: Минречфлот РСФСР и Минлеспром СССР, 1985.-80 с.

12. Корттчев В.П. Транспорт леса. Теоретические основы водного транспорта.-Красноярск, 1997.- 254с.

13. Митрофанов А.А. Научное обоснование и разработка экологически безопасного плотового лесосплава.- Архангельск.:АГУЛ, 1999.-268с.

14. Войткунский Я.И., Фаддеев Ю.И.,Федяевский К.К. Гидромеханика.-Л.: Судостроение, 1982.-568с.

15. Микишев Г.Н., Рабинович Б Л Динамика твердого тела с полостями, частично заполненными жйдкостью.-М.:Мапшностроение,1968.-652с.

16. Войткунский Я.М. Сопротивление воды движению судов.-Л.: Судостроение, 1964.-412с. ...%

17. Чекалкин К.А. Исследование гидродинамических характеристик бревенных шржовпри поступательном движении. // Науч.тр./АЛТИ. 1987.вып.Х 1 Х.-С.86-96.

18. О.Борисов И.Г. Организация перевозок леса в плотах. М.: Речной транспорт, 195 5.-208с. 31 .Черкасов Г.М. К теории движения буксируемых плотов. — Казань: Татгосиздат, 1949.-110с.

19. Худоногов В.Н. Гидродинамическое взаимодействие плотов и внешней среды. — Красноярск, 1968.-226с.

20. Овчинников М.М., Родионов П.М. Сопротивление движению хлыстовых плотов. // Лесная промышленность.-1979.-№6.-С.28-29.

21. Патякин В.И., Дмитриев ЮЛ., зайцев А.А. Водный транспорт леса.М.: Лесная промышленность, 1985.-334с.

22. Седов Л.И. Методы подобия и размерности в механике. М.: ГИТТЛ, 1971.-328C. Зб.Клайн Дж. Подобие и приближенные методы.М.: Мир,1968.-302с.

23. Щербаков В.А. Исследование некоторых вопросов управления плотами при буксировке в речных условиях: дис.. ..канд.техн.наук {рукопись.-Л.,1961.-120с.

24. Митрофанов А.А., Камусин А.А. Моделирование и оптимизация процессов лесопромышленных производств. Архангельск: АГТУ, 2003.-116с.

25. Митрофанов А.А., Чекалкин К.А. О критериях подобия при моделировании неустановившегося движения плотов// Лесной журнал.-1972.-№1.-С.46-50.

26. Митрофанов А.А. Методика исследования на моделях неустановившегося движения плотовУ/Исследования по механизации лесоразработок и транспорта леса: Науч. Тр. /АЛТИ.-1972.-вып.ХХХШ.-С.52-58. .. %

27. Митрофанов А.А. Лесосплав. Архангельск:АГТУ,2007.-492с.

28. Митрофанош\.А., Чекалкин К.А. Результаты исследования на моделях неустановившегося поступательного движения плотовУ/Исследования по механизации лесоразработок и транспорту леса. Науч. Тр./ АЛТИ.-1972.вып. XXXI П.- 58-66.

29. Войткунский Я.И., Першиц Р.Я., Титов И.А. Справочник по теории корабля. -Л. :Судпромгиз, 1973.- 512с.

30. Митрофанов А.А. Натурная проверка результатов модельных исследований неустановившегося движения плотов.//Исследования по механизации лесоразработок и транспорту леса. Научн. тр./АЛТИ .-1972.- вьш.№ХХХ111.-С.66-71.

31. Чекалкин К.А. Движение твердых тел в жидкости.Конспект лекций.- Л.,1981.-49с.

32. МельниковЛ.В., Митрофанов А.А., Чекалкин К.А. Инерционные характеристики плотов при переменной величине присоединенной массы.//Лесной журнал.-1987. №6.-С48-51.

33. Чекалкин К.А. Об оптимальном режиме торможения плотов при остановках в пунктах прибытия.//Лесной журнал..-1971.№1.- 47-51.

34. Митрофанов А.А. Основы моделирования и оптимизации процессов лесосплава. Архангельск:АГТУ, 1993 .-90с.

35. Рушинский Л.З. Методическая обработка результатов экспериментам.: НаукаД971.-192с.

36. Пустыльник Е.И. Статистические методы анализа и обработки наблюдений.М.:Наука,1968.-288с.

37. Патякин ВюИ., Типшн Ю.Г., Базаров СМ. Техническая гидродинамика древесины. М.: Лесная промышленность, 1990.-304с.

38. Патякин В.И. Проблема повышения плавучести круглых лесоматериалов М.: Лесная промышленностью 1976.-264.

39. Митропольский А.К. Техника статистических вычислений. М.: Физматгиз, 1961 .-480с. 54.0снач Н.А. Проницаемость и проводимость древесины. М.: Лесная промышленкэсть, 1964.-178с.

40. Патякин В.И. Лесосплав без потерь. М.: Лесная промышленность, 1974.-128с.

41. Полубояринов О.И. Плотность древесины.Л.:ЛТАД973.-76с.

42. Серговский П.С. Расчет процессов высыхания и увлажнения древесины. М.: Гослесбумиздат, 1952.-184с.

43. Шейдегер А.Э. Физика течения через пористые среды. М.: Гостоптехиздакт,1960.-250с.

44. Мурашева О.В., Митрофанов А.А. Методика и расчет исследований равномерного движения плоских сплоточных единиц из лесоматериалов по теории факторных планов.//Лесоэксплуатация.Красноярск, 2005 .-С.41 -45.

45. Монин А.С., Яглом A.M. Статистическая гидромеханика. М.: Наука, 1967.-Ч.11.-720С. бЗ.Харук Е.В.Проницаемость древесины газами и жидкостями. Новосибирск:Наука, 1970.-190с.

46. Чудинов Б.С. Вода в древесине. Новосибирск: Наука, 1984.-270с.

47. Патякин В.И. Лесосплав без потерь. М.: Лесная промьннленность, 1974.-128с.^ л с 56.Полубояринов О.И. Плотность древесины.Л. :ЛТА, 1973 .-76с.

48. Серговский П.С. Расчет процессов высыхания и увлажнения древесины. М.: Гослесбумиздат, 1952.-184с.

49. Шейдегер А.Э. Физика течения через пористые среды. М.: Гостоптехиздакт, 1960.-250с.

50. Монин А.С., Яглом A.M. Статистическая гидромеханика. М.: Наука, 1967.- ч. 11. -720с. бЗ.Харук Е.В.Проницаемость древесины газами и жидкостями. НовосибирскгНаука, 1970.-190с.

51. Чудинов Б.С. Вода в древесине. Новосибирск: Наука, 1984.-270с. 65 .Богомолов А.И., Михайлов К.А. Гидравлика.М.: Стройиздат, 1972.-648с. бб.Кочин Н.Е., Кибель И.А., Розе И.В. Теоретическая гидромеханика. М.: ОГИЗ, 1948.-536С

52. Камке Д., Кремер К. Физические основы единиц измерения. М.:Мир, 1980.- 206с.

53. Зетель СИ. Задачи на максимум и минимум. М.-Л.: Гостехиздат, 1948.-86с. . - %

54. Тихомиров В.М. Рассказы о максимумах и минимумах. М. Наука, 1986.-190с. f> 3 ..... 70.Казначеева Н.И. Совершенствование структурных параметров пучковых плотов.//Вестник МГУЛ-лесной вестник: Вьш.2- М: МГУЛ, 2008.- 78-81

55. Казначеева Н.И. Энергосберегающие режимы водного транспорта лесоматериалов.//Вестник МГУ Л-Лесной вестник: Вып. 4.- М.:МГУЛ, 2008.- 67-69.

56. Казначеева Н.И., Тарабан М.В. К возможности улучшения транспортных характеристик пучковых плотов.//Известия СПбЛТА.-Вып.184 - СПб.:СПбЛТА,2008.- 97-103.

57. Курицкий Б.Я. Оптимизация вокруг нас. Л.: Машиностроение, 1989.- 144с.

58. Taha Б/ Operation research. N.Y. МРС, 1987.-876р/ 75.3ахаренков Ф.Е. Оптимизация производственного процесса береговых складов, М,: Лесная промышленность, 1978.-184с.

59. Кукол евский Г. А. Первоначальный плолтовой лесосплав. М.: Лесная промышленность, 1976.-88с.

60. Фомичев М.Н., Львов И.П., Соколов К.Б. Плоты. Конструкция, эксплуатация, технология. М.: Лесная промышленность, 1978.-216с.

61. Овчинников М.М., Олофинский В.Б. Перспективные технологические процессы плотового лесосплава. СПб.: СПбЛТА, 1999.-68с.

62. Рогулин В.Г., Шулаков Г.Г., Камусин А.А. Оптимизация процессов водного лесотранспорта. М.: МЛТИ, 1978.-95с.

63. Чубов Н.И., Афоничев Д.Н., Переславцев И.В. Водный транспорт технологической щепы. Воронеж: ВГЛТАД 994.-15с- Деп.в ВИНИТИ 10.03.94, №554.-В 94.

64. Федоров В.В. Теория оптимального эксперимента. М.: Наука, 1971.- 172с. а

65. Налимов В.В. Теория эксперимента. М.: Наука, 1976.-208с.

66. Свиридов Л.Т. Основы научных исследований.. Воронеж:ВГЛТА, 2003.-314с.

67. Гидродинамика судов на мелководье. /Под ред.А.М.Басина.-Л.: Судостроение, 1976.-320с.

68. Овчинников М.М., Кузин А.А. Результаты натурных исследований сопротивления движению плотов из хлыст6в.//Подготовка к лесосплавуи транспорт леса в плотах: Сб.тр. ЦНИИлесосплава.-М.:Лесная промышленность, 19+80.-С.90-96.

69. Курьянов В.К., Четверекова И.В. К вопросу формирования транспортных водных потоков //Вестник.-2002.-вьш.4.-С.223-226.

70. Мануковский А.Ю., Четверикова И.В. Технология водной доставки сортиментных и хлыстовых плотов, запас их плавучести./ВАГЛТА.-Воронеж, 2004.-16с.-Деп.в ВИНИТИ 28.05.04, №901-В 2004.

71. Минаев A.H., Тарабан М.В. Вариационный метод решения задачи транспорта лесоматериалов//ИзвестияСПбЛТА:вып. 172.- -\ СПбЛТА,2005.-С.68-74.

72. Эльсгольц JM). Дифференциальные уравнения и вариационное исчислением.: Наука, 1969.-424с.

73. Anderson T.W. The statistical analysis of time series. N.Y. SU,1971.- 752 p.

74. BirkhoffG. Hydrodynamics N.J. PU, 1950.

75. Huntley H.E. Dimensional Analysis. L.A MDC, 1953. lOO.Rurak A.E. Inspection Analysis //J.EMSS.51,1953.-127-133 p. lOl.Sarpkaya Т., Garrison CJ. Vortex Formation and Resistance in Unsteady Flow.//J.A.M. .Nov., 1962.-25-30 p.

76. Smith S.H. Laminar Boundary Layers on Moving Walls. AFOSB TN. Se pt., 1956.-45-50 p.