CC BY
26
УДК 630*378.33.5
В.Я. Харитонов
Харитонов Виктор Яковлевич родился в 1929 г., окончил в 1952 г. Архангельский лесотехнический институт, доктор технических наук, профессор кафедры водного транспорта леса и гидравлики Архангельского государственного технического университета, академик РАЕН. Имеет более 180 печатных трудов в области водного транспорта леса, экологии водных объектов, гидродинамики.
ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ГИДРОТОРМОЗА ДЛЯ ОСТАНОВКИ ПЛОТОВ
Приведена схема устройства для остановки плотов на течении. Определены основные параметры этого устройства с использованием положений теории гибкой нити и теоретической гидромеханики. Даны рекомендации по совершенствованию конструкции устройства и эффективности его работы.
Ключевые слова: плот, гидротормоз, гибкая нить, лобовое сопротивление, тормозной путь, продолжительность остановки.
Проблема остановки плотов на течении приобретает все большее значение в связи с увеличением объемов зимней сплотки и поставки лесоматериалов потребителям в плотах по рекам в ранневесенний период.
В большинстве случаев плоты останавливают трением, прижимая их к берегу теплоходами. Этот метод не только экологически опасен, поскольку разрушаются дно и берег, такелажные крепления плота, размолевывают-ся пучки, но и требует больших затрат на теплоходы, последующую ликвидацию обсушки плота.
В работе [5] описан один из перспективных, на наш взгляд, методов остановки плота гидротормозом, но не обоснованы параметры последнего.
В нашей статье приводятся схема и принцип работы гидротормоза, методика расчета основных параметров.
Гидротормоз (рис. 1) состоит из двух наплавных опор 1 и 2 и поплавков 3 с несущим канатом 4. Один конец каната закреплен на опоре 2, второй огибает блок 5 на опоре 1.
Останавливаемый плот крепится к свободному концу каната и увлекает его вниз по течению, перекрывая поплавками пространство между опорами. Поскольку поплавки вступают во взаимодействие с потоком поочередно, инерция плота и после-
Рис. 1. Схема гидротормоза
дующее воздействие потока гасятся плавно до полной остановки плота.
Остановленный плот крепят выносами за береговые или русловые опоры, освобождая несущий канат. Гидротормоз под действием течения возвращается в исходное положение (рис. 1) для остановки очередного плота.
Конструкция гидротормоза предусматривает возможность скольжения каната 4 по поплавкам 3 с уменьшением расстояния между ними и стрелы провеса /тах (рис. 2) до выравнивания сил воздействия потока на остановленный плот и гидротормоз без динамического удара.
Процесс остановки плота с использованием гидротормоза можно разделить на два этапа.
Первый этап - свободное торможение - начинается с момента, когда плот выведен на продольный галс вдоль наплавной опоры 1 и буксировщик прекратил воздействие на плот; заканчивается моментом включения в работу гидротормоза. Продолжительность этапа определяется затратами времени на подход хвоста плота к опоре 1,
подачу и крепление свободного конца несущего каната гидротормоза к бортовым лежням, выборку провеса несущего каната. Ориентировочно можно принимать в расчетах продолжительности этапа ^ = 3 ... 5 мин.
Скорость плота на этом этапе уменьшается от технической скорости буксировки ит до скорости начала активного торможения ин, длина пути торможения 5*1. Теоретический анализ этапа подробно дан в работах [3, 4] и здесь не рассматривается.
Второй этап - активное торможение плота переменной силой, создаваемой поплавками гидротормоза, поочередно вовлекаемыми в движение несущим канатом от опоры 2 к опоре 1 и навстречу скорости потока. Скорость обтекания поплавков в начальный момент близка к ин + ир, а в конце этапа равна скорости течения реки ир. Скорость плота изменяется от ин до нуля, путь торможения (рис. 1, 2)
' (1)
Рис. 2. Расчетная схема
52 = Л
32 - 2 + 52 , где I - расстояние между опорами (пролет);
5 - длина рабочей части гидротормоза с поплавками, которую считают гибкой нитью.
Для так называемых пологих нитей, у которых отношение /тах II < <1/10, с некоторым приближением [1]
( „/ ,Х2Л
5 « I
1+8 (£
3 ( I
(2)
Продолжительность второго этапа движения находим по формуле
^ - ^ . (3)
Г
Погрешность осреднения скорости движения плота на этом этапе не имеет практического значения.
Дифференциальное уравнение движения системы плот - гидротормоз имеет вид
М* = - рт ± Ях ± Яв + Я, (4)
Ш
где Мд - действующая масса;
- переменная тормозная сила, создаваемая поплавками;
Ях - переменная сила сопротивления плота потоку;
Яв, Я, - силы сопротивления соответственно от ветра и уклона поверхности воды.
Если по расчетам для первого этапа получим гн < ир, то в уравнении (4) перед Ях записывают знак плюс, тогда
Ях = г(Гр - и)2, (5)
где г - приведенная сила сопротивления плота, потоку (сила сопротивления
при скорости обтекания, равной единице) [3].
Действующую массу Мд определяют для случая разгона плота в спокойной воде [4] (массой элементов гидротормоза можно пренебречь).
Если ин > ир, то второй этап следует разделить на две стадии. В первой скорость плота уменьшается от ин до ир, в уравнении (4) перед Ях знак минус тогда
Ях = г(и - Гр)2, (6)
а Мд определяют для случая остановки плота [4].
На второй стадии скорость плота уменьшается от ир до нуля, перед Ях записывают знак плюс. Здесь Мд определяют для разгона, и Ях находят по формуле (5).
Общие решения дифференциального уравнения (4) приведены во многих источниках [4] и здесь не рассматриваются. Однако использовать их для конкретного случая не представляется возможным из-за сложности процесса взаимодействия поплавков гидротормоза с потоком, а следовательно, и определения переменной тормозной силы В каждое мгновение изменяются не только условия обтекания, но и количество поплавков, вовлекаемых в движение. Анализ изменения силы строго осуществим только экспериментально .
Для практических расчетов и реализации рассматриваемого способа остановки плотов ниже предлагается методика определения основных параметров гидротормоза с использованием теории гибких нитей в момент полной остановки плота, когда нагрузки в такелажных креплениях плота и гид-
ротормоза наибольшие. Для этого момента справедливо условие статического равновесия, так как инерционные силы погашены.
Если рассматривать гидротормоз как параболическую гибкую нить [1], то уравнение равновесия в конечном положении будет иметь вид (потерями на трение в блоке пренебрегаем)
Яп = Т, (7)
где
Яп = Яр + Я, + Яв, (8)
Яр - сила лобового сопротивления остановленного плота набегающему речному потоку со скоростью ор; Т - сила натяжения каната у наплавных опор (допускаем, что ор по ширине реки одинакова).
По теории гибкой нити
Т = 4и2 + V2 , (9)
где V - вертикальная составляющая,
V = |; (10)
Н - горизонтальная составляющая,
,2
Н = , (11)
^./шах
д - равномерно распределенная нагрузка на гидротормоз по пролету I от потока,
д = Стрйт—^; (12)
2
Ст - коэффициент лобового сопротивления гидротормоза, зависящий от конструкции и формы поплавков; р - плотность воды; Нт - осадка поплавков.
С учетом зависимостей (9) и (11) уравнение (7) примет вид
R =
q2j4 q2j4
64/
2
шах
или
q2 j 4.+¿n=r 2.
64 f2 4 ""
V max
Рассмотрим биквадратное уравнение
а j 4 + b j2 + с = 0, (13)
q2
где a =
64/r
2
шах
4
q2.
b = 24
с = - R2.
Из уравнения (13) можно определить пролет £ .
Обозначим £ //max = k. Используя это отношение, приведем биквадратное уравнение к квадратному:
j 2 2 2 к q - £ 2 + L- £ 2 - R 2 = 0
64
или окончательно
£ = -
4
2R„
(14)
(15)
q. 1 +
16
При выборе численного значения к следует получить оптимальное решение, так как с его увеличением горизонтальная составляющая растет (при к ^ да и Н ^ да), а следовательно, усложняется крепление наплавных опор.
Якорное крепление наплавной опоры 2 рассчитывают на усилие Т (9), направленное под углом
V
а2 = аг^ —-. (16)
Н
Якорное крепление наплавной опоры 1 рассчитывают на усилие
где
Ti =Jht+V? ,
F = Д + f. 2
Направление усилия Т1 определятся углом
(17)
(18)
V1
а1 = arctg — . H
(19)
Горизонтальная составляющая Н у всех опор одинакова (11).
Полный путь остановки
<$ост = + $2.
Полная продолжительность остановки
^ост + ^2.
При расчете гидротормоза для останов- Рис. 3. Схема гидротормоза с
ки плотов больших габаритов, при высоких ско- двумя гирляндами поплавков
2
к
ростях может оказаться неприемлемо большой пролет по гидрологическим условиям. В целях компактности можно рекомендовать гидротормоз с двумя (тремя) ветвями поплавков (рис. 3).
Как показывают исследования тел, расположенных тандемом в потоке, на коэффициент сопротивления их в следе существенно влияет расстояние между телами и их форма [2].
Для рассматриваемого случая рекомендуемой формой поплавка является вертикальный щит с осадкой Нт. При расстоянии между щитами в ветвях 4,5йт коэффициент сопротивления гидротормоза Ст = 1,91. Еще больший эффект (до Ст = 3,0) можно получить, если выполнить поплавки в форме парашюта (чашка, вогнутый цилиндр).
Приведем пример расчета основных параметров гидротормоза.
Пусть требуется остановить сортиментный плот для Северодвинского бассейна длиной 415 м, шириной 80 м, осадкой 1,5 м, при скорости воды в реке ир = 1 м/с, ветра ив = 12 м/с, уклон , = 0,0001. В начале активного торможения скорость плота он = 1,5 м/с.
По известным формулам находим:
силу лобового сопротивления остановленного плота набегающему потоку без учета глубины и волнения:
Яр = 121 кН;
силу влечения плота ветром
Яв = 59 кН;
силу воздействия на плот от уклона
Я, = 18 кН;
суммарную силу воздействия на плот по формуле (8)
Яп = 121 + 59 + 18 = 198 кН.
Несущий канат гидротормоза следует подбирать на разрывное усилие с трехкратном запасом прочности 594 кН, диаметром 33,5 мм, маркировочной группы 1470 Н/мм2 по ГОСТ 2680-88.
Если в качестве поплавков гидротормоза использовать, как рекомендуется в работе [5], хлыстовые пучки, то можно принять Ст = 1,0, Нт = 2,0 м.
По формуле (12) равномерно распределенная нагрузка
1 02
а = 1,0 • 1000 • 2,0 = 1000 Н/м.
2
Далее находим: при к = 10 пролет по формуле (15) £ = 147 м, стрела провеса /тах = 14,7 м, горизонтальная составляющая Н = 184 кН (11), вертикальная составляющая V = 74 кН, усилие в шейме с опоры 2 Т = Яп = 198 кН
(9), ее направление определяется углом а2 = 0,382 рад (16). Соответственно
Продолжительность остановки на этапе (3) ^ = 281 с. При использовании гидротормоза со скользящими по несущему канату поплавками можно увеличить тормозной путь, не уменьшая пролет, обеспечив остановку плота при меньшем к. Например, при k = 5, « 163 м (2) тормозной путь
продолжительность активного торможения t2 = 308 с.
В каждом случае остановки конкретного плота стрела провеса будет уменьшаться до тех пор, пока не наступит соотношение Т > Яп.
1. Бать М.И., Джакелидзе Г.Ю., Кельзон А.С. Теоретическая механика в примерах и задачах. Т. 3.: Учеб. пособие. - М.: Наука, 1973. - 488 с.
2. Девнин С.И. Аэрогидродинамический расчет плохообтекаемых судовых конструкций. - Л.: Судостроение, 1967. - 250 с.
3. Мельников Л.В., Чекалкин К.А. О свободном торможении плота в речном потоке // Лесн. журн. - 1985. - № 2. - С. 43-46. - (Изв. высш. учеб. заведений).
4. Митрофанов А.А. Научное обоснование и разработка экологически безопасного плотового лесосплава. - Архангельск: Изд-во АГТУ, 1999. - 268 с.
5. Фоминцев М.Н. и др. Плоты (конструкция, эксплуатация, технология) / М.Н. Фоминцев, И.П. Львов, К.Б. Соколов и др. - М.: Лесн. пром-сть, 1978. - 216 с.
для опоры 1: V! = 272 кН (18); Т = 328 кН (17); а! = 0,997 рад (19).
Длина наплавной части гидротормоза в момент остановки плота (2)
Тормозной путь на втором этапе (1)
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Архангельский государственный технический университет
Поступила 09.12.02
V.Ya. Kharitonov
4
Substantiation of Hydrobrake Parameters for Drafts Stoppage
Scheme of rafts stopping device in a stream is provided. Main parameters of such devices are provided using theory of flexible thread and theoretical hydromechanics. Recommendations on improving device structures and their operational efficiency are provided.
