CC BY
19
СОЭКСПЛУАТАЦИЯ
УДК 630*33
М.М. Овчинников, Д.М. Шварц
Овчинников Михаил Михайлович родился в 1930 г., окончил в 1954 г. Ленинградскую лесотехническую академию, доктор технических наук, профессор, зав е-дующий кафедрой водного транспорта леса и гидравлики С.-Петербургской
лесотехнической академии, академик РАЕН. Имеет более 80 печатных работ в области совершенствования технологии водного транспорта леса, разработки перспективных экологически безопасных технологических схем водного транспорта леса на базе лесотранспортных и гидротехнических модулей, гидродинамики плотового лесосплава, расчета лесосплавных гидротехнических сооружений.
Шварц Дамир Михайлович родился в 1931 г., окончил в 1956 г. Ленинградскую лесотехническую академию, кандидат технических наук, доцент кафедры водного транспорта леса и гидравлики С.-Петербургской лесотехнической академии. Имеет более 100 печатных трудов по вопросам совершенствования технологии и оборудования водного транспорта леса.
О ПРОЧНОСТИ ЛЕСОСПЛАВНЫХ ПУЧКОВ
На основе аналитического исследования получены зависимости для определения прочности лесосплавных пучков с различными коэффициентами формы. Приведен метод, позволяющий сравнивать прочность пучков с обвязками из различных материалов.
Ключевые слова: пучок, обвязки, напряжение, прочность.
При транспортировке плотов пучки подвергаются воздействию сил волн и ветра, сил удара о соседние пучки и другие возможные препятствия. Под действием этих сил возникают два вида разрушений: выход бревен из пучка, влекущий его размолевку без разрыва обвязок, и разрушение пучка в результате разрыва обвязок.
Сопротивление выходу бревен из пучка зависит от сил трения между отдельными бревнами, а также между бревнами и обвязками. Разрыв обвязок предотвращают, обеспечивая их необходимую прочность.
Интенсивность взаимного давления бревен в пучке находят по формуле
F = P/R, (1)
где F - удельная сила давления обвязки на пучок, кН/м;
P - натяжение обвязки, кН;
R - радиус кривизны контура обвязки, м.
Допустим, что обвязки абсолютно гибкие. Кроме того, вес обвязки мал по сравнению с весом пучка, и его можно не учитывать. Пренебрегая также силами трения между обвязками и пучком [1], получаем, что сила F направлена по нормали в сторону вогнутости обвязки, а натяжение во всех ее точках одинаково.
Многочисленные исследования плавающего пучка показывают, что форма его поперечного сечения ближе всего к эллиптической. Численное значение R зависит от формы поперечного сечения пучка, которая характеризуется отношением его полуосей, называемым коэффициентом сжатия пучка с = а/b, где а и b -большая и малая полуоси эллипса.
Очевидно, что макси- маль-ные значения R имеют место в точках А и В (см. рисунок). Здесь силы F наименьшие и вероятность выхода бревен из пучка наибольшая. Поэтому силу F в остальных точках контура эллипса не рассматриваем. На рисунке радиус кривизны в точке А обозначим отрезком ОА.
Для эллипса, согласно [1], значение R в точках А и В находим по формулам
F A
t
— / a 1
R< в
\ F 0
R = a /b, или R = са.
(2)
Для определения силы натяжения в обвязке пучка существуют формулы различных авторов. Все они приводятся к виду
р=щ, (3)
где Q - вес пучка, кН;
К - коэффициент пропорциональности.
Для определения К воспользуемся формулой В.А. Щербакова [2]:
K = 0,19
Та Та
Та С
где ув - плотность воды, кг/м1:
Уд - плотность древесины, кг/м1. После преобразования получим
K =
0,0633 (1 - Уо)
(4)
где Уо - соотношение плотности древесины и воды, у0 = уд / ув.
Сила давления обвязки на бревна пучка в точках А и В равна:
КО
F = -
ca
(5)
c
где О =/?РУД;
/- геометрическая площадь поперечного сечения пучка, м ,
Ж а2
/ = - = 71—; (6)
/р с
I - длина бревен в пучке, м; р - коэффициент полнодревесности пучка; Ж - объем пучка в плотной массе, м3. Выразим а из формулы (6):
а = ^ . (7)
V к
Подставляя сюда К и а из формул (4) и (5), получаем
:Х*
,2,5 И
р = 0063Г 1-У2М2 . (8)
с ^ " п
При определении величины Е в формулу (8) подставляют значение коэффициента формы с для плавающих пучков, который существенно влияет на силу давления обвязки на пучок в точках А и В и, следовательно, на прочность пучка.
Пример. Значения удельной силы давления двух обвязок на пучок в точках А и В при различных с, у0 = 0,7, <9 = 210 кН, р = 0,74, / = 6,0 м следующие:
с, Е, кН/м с, Е, кН/м
1,0 4,59 2,5 0,41
1,5 1,67 3,0 0,29
2,0 0,81
Учитывая коэффициенты трения бревен различных пород друг о друга и об обвязку, можно определить их сопротивление выходу из пучка.
Силу Е можно также считать критерием прочности пучков при сравнении различных способов их сплотки и обвязки.
Рассмотрим зависимость коэффициента полнодревесности пучка от коэффициентов его формы. Принимаем обвязку нерастяжимой (проволока) и плотно прижатой к пучку.
Поперечное сечение пучка в плотной массе
/л = я/гср. (9)
Выразим Ь2 через периметр пучка Z:
7 2
Ь2 = 7
7Т2(С + 1)2 '
где 2 - длина обвязки, принятая равной периметру пучка, м.
Подставив Ь2 в формулу (9), получим зависимость для определения полнодревесности пучка:
y^OlfOl
Z с
Для нахождения конечного значения коэффициента формы плавающего пучка с упругими обвязками необходимо знать начальное Z1 (в сплоточном устройстве) и конечное Z2 (в пункте приплава) значения длин обвязок.
Величину Z определяют при начальных значениях сир (пучок в сплоточном устройстве). В расчетах принимаем С\ = 1,1; Pi = 0,7, что подтверждается многочисленными замерами этих величин в натурных условиях на сплоточных машинах ЛР-21 и ЛР-22.
Из (10) длина обвязки пучка
(11)
V Pici
Для упругих обвязок следует найти необходимую величину их укорочения при уплотнении и изменении формы пучка в процессе вывода его из сплоточного устройства. Необходимое укорочение длины обвязки на пучке можно обеспечить ее предварительным натяжением.
Укорочение обвязки выражаем через коэффициент уменьшения периметра пучка X:
7
(12)
где Z1, Z2 - длина упругой обвязки после уплотнения пучка соответственно в сплоточном устройстве и после вывода из него, м.
По нашим опытным данным, максимальное уплотнение бревен в пучке может достигать 5,7 %, при этом X = 0,972, что соответствует [2]. При укорочении упругих обвязок ширина пучка остается неизменной, а уплотнение происходит за счет уменьшения высоты пучка. В идеальном случае при с = const ширина пучка должна бы уменьшаться, однако поскольку силы отпора бревен в пучке на порядок больше его распора, то достигнуть этого за счет упругости обвязок практически невозможно.
Необходимое удлинение обвязки при ее предварительном натяжении
AZ = Z - Z2,
тогда, с учетом (12),
AZ = Z(1 -X).
Заменив в формуле (12) Z\ и Z2 их значением Z = пс<(— + 1) и допус-
с
кая, что ширина пучка и соответственно величина а не изменяется, после несложных преобразований получим выражение для определения коэффициента формы свободно плавающего пучка:
С2 = , ^ . (13)
К
1 + -
С1У
-1
Определяя значение с2 по формуле (13) и подставляя его в формулу (8), можно рассчитать силу давления обвязки на пучок в точках А и В при использовании упругого обвязочного материала, например резинотканевой ленты.
Рассмотрим пучок с теми же параметрами, что и в предыдущем примере, в случае использования обвязки из проволоки и резинотканевой ленты. Для пучка, обвязанного проволокой, ее периметр, согласно формуле (11), равен 9,48 м, а коэффициент формы с2 плавающего пучка, вычисленный по формуле (10), - 1,62. Удельная сила давления обвязок на пучок в точках А и В составит 1,38 кН/м.
Для пучка с обвязками из резинотканевой ленты коэффициент формы с2, вычисленный по формуле (14), равен 1,17. Необходимое предварительное натяжение AZ = 0,265 м. Удельная сила давления обвязок на пучок в точках А и В равна 3,10 кН/м.
Как видно, из двух с одинаковыми начальными параметрами пучков обвязанный резинотканевой лентой будет сопротивляться размолеванию в 2,25 раза сильнее, чем при использовании проволоки.
Выводы
1. Формула (8) устанавливает количественную зависимость давления обвязок на плавающий пучок и дает возможность оценить прочность пучка в зависимости от коэффициента его формы.
2. Представленные зависимости позволяют проводить сравнительный анализ прочности пучков с обвязками из различных материалов.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Меркин Д.Р. К вопросу определения натяжения в обвязке и формы пучка // Науч. тр. / ЛТА. - Л., 1961. - № 96.
2. Щербаков В.А. Лесосплавные рейды. - М.: Лесн. пром-сть, 1979.
С.-Петербургская лесотехническая
академия
Поступила 10.04.02
M.M. Ovchinnikov, D.M. Shvarts On Strength of Wood Floating Bundles
Dependencies for determining strength of wood floating bundles with different form coefficients have been derived based on the analytical research. A method is provided allowing to compare the bundles' strength with binders of different materials.
