Определение осадки плота, содержащего сплоточные единицы стабилизированной плавучести Текст научной статьи по специальности «Науки о Земле и смежные экологические науки»

10. Арзуманов А.А., Васильев В.В. Совершенствование структуры мастерского участка лесозаготовителей за счет точечного внедрения пневматических строи-

тельных конструкций // Лес. Наука. Молодежь - 2009: матер. по итогам НИР молодых ученых в 2-х т. Т. 2 / ВГЛТА. - Воронеж, 2009. С. 4-8.

УДК 630*378.33

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОСАДКИ ПЛОТА, СОДЕРЖАЩЕГО СПЛОТОЧНЫЕ ЕДИНИЦЫ

СТАБИЛИЗИРОВАННОЙ ПЛАВУЧЕСТИ В. В. Васильев

ФГБОУ ВПО «Воронежская государственная лесотехническая академия»

vasiliev.vova2012@yandex.ru

Буксировка плотов по рекам с малыми глубинами и в меженный период года, когда наблюдается низкое стояние горизонта воды, представляет собой сложный процесс, требующий от конструкции плота малую осадку, хорошую гибкость и управляемость. Для создания плотов с наименьшей осадкой рекомендуется [1-7] их формировать из плоских сплоточных единиц, которые при малой осадке имеют большой объем. Но такие конструкции плотов, как правило, потенциально не используют полную пропускную способность рек, а на реках, где проводился молевой сплав, буксировка таких плотов практически невозможна.

В Воронежской государственной лесотехнической академии была разработана новая конструкция плота, основной особенностью которой является наличие в составе плоских сплоточных единиц стабилизированной плавучести, обеспечивающих минимальное значение осадки поперечных рядов и плота в целом [8]. Данный

плот содержит (рис. 1 и 2) расположенные поперечными рядами сплоточные единицы 1 и сплоточные единицы стабилизированной плавучести 2, выполненные по патенту РФ № 2381949 [9] и установленные в середине каждого ряда. Сплоточные единицы 1 и сплоточные единицы стабилизированной плавучести 2 в ряду соединены между собой брустверами 3, закрепленными за гибкие обвязки 4 сплоточных единиц 1 и сплоточных единиц стабилизированной плавучести 2 такелажем 5. Сплоточные единицы 1 и сплоточные единицы стабилизированной плавучести 2 в головном и хвостовом рядах соединены между собой поперечными счалами 6 (на рис. 2 не показаны). Вдоль плота по крайним бортам сплоточных единиц 1 проложены бортовые лежни 7, которые прикреплены к брустверам 3 сжимами 8. Следует отметить, что подробное описание сплоточных единиц стабилизированной плавучести представлено в работах [9-12].

8<

8<

8<

\

7

□

А

х

т

г

X

т

V

6

Рис. 1. Плот (вид сверху)

>8

>8

5 2 3

Рис. 2. Поперечный ряд плота

Формирование плота производится следующим образом. Изготавливаются сплоточные единицы 1 и сплоточные единицы стабилизированной плавучести 2, последние выполняются в соответствии с патентом РФ № 2381949 [9]. Готовые сплоточные единицы 1 и сплоточные единицы стабилизированной плавучести 2 спускают на воду и буксируют к месту формирования поперечных рядов: по одиночке или группами. Из сплоточных единиц 1 и сплоточных единиц стабилизированной плавучести 2 формируют поперечные ряды, причем сплоточные единицы стабилизированной плавучести 2 размещают в середине ряда, а сплоточные единицы 1 - по краям ряда. Ряд, составленный из сплоточных единиц 1 и сплоточных единиц стабилизированной плавучести 2, объединяется брустверами 3. Брустверы 3 закрепляются за гибкие обвязки 4 сплоточных единиц 1 и сплоточных единиц стабилизированной плавучести 2 такелажем 5. В качестве такелажа 5 могут быть использованы цепи, канатные или проволочные связи. Сформированные ряды буксируют за брустверы 3 до формировочных причалов, которые размещаются на магистральной реке, где габариты водного пути позволяют формировать плоты.

На формировочных причалах из рядов формируют плот путем плотной установки рядов друг к другу. На ряды, расположенные в голове и хвосте плота, накладывают поперечные счалы 6. После этого вдоль плота по крайним бортовым сплоточным единицам 1 прокладывают бортовые лежни 7, которые крепят к брустверам сжимами 8. После этого плот буксируется

по водному пути к месту назначения. Размещение сплоточных единиц стабилизированной плавучести 2, в середине рядов, позволяет обеспечить защиту гибкого водонепроницаемого материала, в который завернуты эти сплоточные единицы, от механических повреждений, как при буксировке плота, так и при буксировке отдельных рядов.

Осадка предлагаемого плота будет образовываться из осадки отдельных поперечных рядов, каждый из которых включает сплоточные единицы 1 и сплоточные единицы стабилизированной плавучести 2 установленные в середине ряда. В практических условиях следует установить осадку каждого поперечного ряда, входящего в состав рассматриваемого плота, а за основу для плота принять максимальную.

Определение осадки поперечных рядов можно выполнить тремя способами. При определении осадки по первому способу принимаем, что поперечный ряд представляет собой лесотранспортную единицу, состоящую из отдельных элементов (плоских сплоточных единиц 1 и плоских сплоточных единиц стабилизированной плавучести 2), соединенных между собой поперечными жесткими связями (брустверами 3). При втором способе поперечный ряд представляет собой лесо-транспортную единицу, состоящую из элементов (сплоточных единиц 1 и 2), имеющих разные габариты и установленных с интервалом, которые соединены жесткими связями (брустверами 3). Третий способ является частным случаем второго, когда поперечный ряд представляет собой

лесотранспортную единицу в виде единого элемента, имеющего в структуре разную плотность, причем сплоточные единицы 1 и 2, входящие в состав, одинаковые по ширине и длине, установлены плотно друг к другу, соединены брустверами 3.

Расчет осадки по первому способу осуществляется следующим образом. Согласно сказанному, что поперечный ряд плота собирается из плоских сплоточных единиц, причем каждая плоская сплоточная единица может включать в себя круглые лесоматериалы повышенной плавучести и ограниченной плавучести, то вес каждой определяется следующим образом:

Gce = g (VnnPnn + VonРоп + mCT + тФТ ) , (1)

где g - ускорение свободного падения, м/с2;

Vnn - объем круглых лесоматериалов повышенной плавучести, м3; РПП - плотность круглых лесоматериалов повышенной плавучести, кг/м3;

Von - объем круглых лесоматериалов

3

ограниченной плавучести, м ; pon - плотность круглых лесомате-

gPWn = g (VnnPnn + VonPon + mCT + 1ПФТ ) .

риалов ограниченном плавучести, кг/м3;

mСТ - масса сплоточного такелажа, кг;

mфТ - масса формировочного такелажа и жесткой связи, кг. В формуле (1) объем круглых лесоматериалов повышенной плавучести VПП и ограниченной плавучести VОП включает объем коры, а плотность соответственно принимается с учетом плотности коры. На основании закона Архимеда выталкивающая сила P равна весу вытесненной жидкости G (P = G), тогда условие равновесия сплоточной единицы на воде

P = GCE = G. (2)

В равенстве (2) вес вытесненной жидкости определяется следующим образом:

G = gpWп, (3)

где р - плотность воды, кг/м3;

Wп - погруженный объем сплоточной единицы, м3.

С учетом формул (1), (2) и (3) запишем равенство

(4)

Из равенства (4) найдем погруженный объем сплоточной единицы

W = Vnn pnn ^ Von pon mCT тФТ

п P

(5)

Так как поперечный ряд плота состоит из плоских сплоточных единиц двух видов, где по краям установлены сплоточ-

Т B T K =

СЕО СЕО СЕО ПОЛ ~

ные единицы обычной конструкции, лесоматериалы которых соприкасаются с жидкостью, то представив погруженный объем сплоточной единицы через длину LCEO (м), ширину ВСЕО (м), осадку (высоту) ТСЕО (м) и сделав элементарные преобразования, формула (5) примет вид

Vпп Рпт + ^п Рот + тст + тФТ

P

(6)

где КПОЛ - коэффициент полнодревесно-сти сплоточной единицы; Рпт - плотность круглых лесоматериалов с корой повышенной плавучести на конкретный промежуток времени, кг/м3;

Рот - плотность круглых лесоматериалов с корой ограниченной плавучести на конкретный промежуток времени, кг/м3.

В формуле (6) плотность круглых лесоматериалов с корой рпт и рОт определяются соответственно

(7)

(8)

где

ЬСИП - средняя интенсивность по-

глощения воды древесиной, кг/м ч; - время намокания, ч.

Из формулы (6) осадка сплоточной единицы составит

^пп Рпт + ^оп Рот + тст + тФТ

т =

СЕО

ТСЕО ВСЕО рК ПОЛ

(9)

рпт рпп + ^сип^н ,

Рот роп + ^сип^н ,

т в Т

В поперечном ряду посередине установлены плоские сплоточные единицы стабилизированной плавучести, тогда на основании формулы (5), представив погруженный объем ЖП сплоточной единицы через ее длину Ьсес (м), ширину Всес (м), осадку (высоту) Тсес (м) и сделав элементарные преобразования, получим

ПП ^ПП + ^ОП роп + тст + тФТ

Упп Р

к (1°)

КПОЛ Р

На основании равенства (10) осадка рованной плавучести будет определяться

плоской сплоточной единицы стабилизи- следующим образом:

Къг, л (Упп РПП + ^ОП роп + тст + тФТ )

т =

СЕС

С учетом формул (9) и (11) осадка лесотранспортной единицы, состоящей из плоских сплоточных единиц обычной конструкции, установленных по краям, и плоских сплоточных единиц стабилизированной плавучести, установленных посередине, рекомендуется рассчитывать по формуле

ТСЕСВСЕС Р

(11)

1

ТПР = - (Т

1СЕО + Т2СЕС + Т3СЕС + Т4СЕО ) . (12)

Представленная формула (12) предназначена для расчета осадки поперечного ряда (лесотранспортной единицы) плота, состоящего из четырех сплоточных единиц различной конструкции (рис. 2). Если количество сплоточных единиц изменяется, то следует изменить знаменатель дроби на

количество сплоточных единиц в ряду, а в числителе количество расчетных осадок будет соответствовать количеству сплоточных единиц различной конструкции в ряду.

Второй способ определения осадки поперечного ряда предусматривает определение осадки лесотранспортной единицы, состоящей из плоских сплоточных единиц обычной конструкции и плоских сплоточных единиц стабилизированной плавучести, установленных соответственно по краям и середине ряда, тогда с учетом формул (1), (2), (3), (6) и (10) условие равновесия на воде лесотранспортной единицы примет вид

Р1ПК1ПОЛ + 8Р^2П + Р3П + ПК4 ПОЛ =

= § (УшпРшт ^^гопРюш + т1ст

+ ЩФТ ) + ёК2ПОЛ {^2ППР2ПП + ^2ОПР2ОП + т2СТ + т2ФТ ) + +§К3ПОЛ {У3ППР3ПП + ^ЗОПР3ОП + тзСТ + тзФТ ) + § (^4ППР4ПП + ^4ОПР4ОП + Ш4СТ + Ш4ФТ ) ,

(13)

где Ж1П, Ж4П - погруженный объем плоских сплоточных единиц обычной конструкции, установленных по краям поперечного ряда, м3;

П, П - погруженный объем плоских сплоточных единиц стабилизированной плавучести, установленных посередине поперечного ряда, м3; К1ПОЛ, К4ПОЛ - коэффициент полно-

древесности плоских сплоточных единиц обычной конструкции, установленных по краям поперечного ряда; К2ПОЛ, К3ПОЛ - коэффициент полно-

древесности плоских сплоточных единиц стабилизированной плавучести, установленных посередине поперечного ряда;

- объем круглых лесома-

териалов повышенной плавучести, находящихся в плоских сплоточных единицах обычной конструкции, м3;

V

1 ОП

V

4ОП

- объем круглых лесома-

териалов ограниченной плавучести, находящихся в плоских сплоточных единицах обычной конструкции, м3; У2 ПП , У3 ПП - объем круглых лесоматериалов повышенной плавучести, находящихся в плоских сплоточных единицах стабилизированной плавучести,

м

V

V

2 О П 3 О П - объем круглых лесома-

териалов ограниченной плавучести, находящихся в плоских сплоточных

единицах стабилизированной плавучести, м3;

Р1ПП, Р4пт - плотность круглых лесоматериалов с корой повышенной плавучести в плоских сплоточных единицах обычной конструкции на конкретный промежуток времени, кг/м3;

р1От, р4От - плотность круглых лесоматериалов с корой ограниченной плавучести в плоских сплоточных единицах обычной конструкции на конкретный промежуток времени, кг/м3;

Р2ПП, Р3ПП - плотность круглых лесоматериалов с корой повышенной плавучести в плоских сплоточных единицах стабилизированной плавучести, кг/м3;

Р2ОП, Р3ОП - плотность круглых лесоматериалов с корой ограниченной плавучести в плоских сплоточных единицах стабилизированной плавучести, кг/м3;

т,

1СТ :

т4СТ - масса сплоточного таке-

лажа в плоских сплоточных единицах обычной конструкции, кг; т2СТ , т3СТ - масса сплоточного такелажа в плоских сплоточных единицах стабилизированной плавучести, кг;

т

1ФТ :

т

АФТ

- масса формировочного

такелажа и жестких связей в плоских

сплоточных единицах обычной конструкции, кг;

т2ФТ, т3ФТ - масса формировочного

такелажа и жестких связей в плоских сплоточных единицах стабилизированной плавучести, кг. Необходимо отметить, что в равенст-

определяются соответственно по формулам (7) и (8).

Преобразуем равенство (13), сделав элементарные сокращения, и представим погруженные объемы плоских сплоточных единиц через их длину, ширину и осадку (высоту). В результате этого получим

ве (13) члены ршт, Р4пт и Рют, Р4ОПг

РЦЩ^ПОЛ + РЦ В2Т2 + РЦ В3Т3 + РЦВ4Т4К4 ПОЛ = = У\шршт + УютР1От + Щ_СТ + т1ФТ + К2ПОЛ (У2ппР2ПП + У2ОПР2ОП + т2СТ + т2ФТ ) + +Къпп гг (У3ППР3ПП + У3ОПР3ОП + т3СТ + т3ФТ ) + У4ППР4ПШ + У4ОПР4ОШ + т4СТ + т

(14)

3ПОЛ 1

где Ц\, Ц4 - длина плоских сплоточных

единиц обычной конструкции, установленных по краям поперечного ряда, м;

Ц2, Ц3 - длина плоских сплоточных

единиц стабилизированной плавучести, установленных посередине поперечного ряда, м;

В\, В4 - ширина плоских сплоточных

единиц обычной конструкции, установленных по краям поперечного ряда, м;

В2, В3 - ширина плоских сплоточных

единиц стабилизированной плавучести, установленных посередине поперечного ряда, м;

4ФТ •

Т\, Т4 - осадка плоских сплоточных

единиц обычной конструкции, установленных по краям поперечного ряда, м;

Т2, Т3 - осадка плоских сплоточных

единиц стабилизированной плавучести, установленных посередине поперечного ряда, м.

Так как теоретически лесотранспорт-ная единица по всему периметру должна иметь одинаковую осадку, то Т = Т\= Т2 = Т = Т4. Для упрощения равенства (14) примем его правую часть за А и выразим Т, получим следующее равенство:

Т ( РВ1Ц К1ПОЛ + РВ2 Ц2 + РВ3 Ц3 + РВ4Ц4К4 ПОЛ

Из равенства (15) осадка лесотранс-портной единицы составит

Т = А

) = А.

(15)

р( B\L\K\ПОЛ + ВЦ + ВЦ + ВЦК

Выражение (16) является конечной формулой для определения осадки поперечного ряда (лесотранспортной единицы) по второму способу. Причем, в случае

(16)

2^2 1 ^3^3 1 ПОЛ,

большего количества плоских сплоточных единиц в поперечном ряду, необходимо в равенство (14) добавить в левую часть погруженный объем, а в правую вес допол-

нительных сплоточных единиц и осуществить повторный вывод формулы для определения осадки поперечного ряда.

Третий способ определения осадки поперечного ряда является частным случаем второго, когда плоские сплоточные единицы обычной конструкции и плоские

сплоточные единицы стабилизированной плавучести имеют одинаковые габариты и установлены плотно друг к другу. В таком случае с учетом (1), (2), (3), (6), (10) и (13) условие равновесия на воде лесотранс-портной единицы примет вид

=

+Щфт )

к

+

1ПОЛ

пол {^.ппРгпп ^^юпРюп + Щст +щфт) +§Кзпол {^ьппРъпп ^^зопРзоп + Щст ^ЩФТ) +

(17)

+

8 (^4ппР4пп + ^ОпРюШ + Щ4СТ + Щ4ФТ )

к

4 пол

где ЖЛЕ - погруженный объем лесотранс-портной единицы, м3. Погруженный объем лесотранспорт-ной единицы рассчитывается по формуле

(18)

портной единицы, м. Подставим формулу (18) в равенство (17), при этом сделав элементарные преобразования, получим

^ЛЕ ^ЛЕВЛЕТЛЕ,

где

ЬЛЕ, ВЛЕ, ТЛЕ - соответственно длина, ширина и осадка (высота) лесотранс-

Рт в Т = ^ппРпп ^^юпрсд ^Щст ^щфт ,

КШСЛ

~^К2пСЛ (У2ппР2пп ~^^2СпР2Сп + Щ2СТ +Щ2ФТ ) +К3пСЛ (^3тР3т + ^3СпР3Сп +ЩСТ + ЩФТ ) +

(19)

+

ппР4 пп + ^сп^ст + Щ4СТ + Щ4ФТ

к

4пСЛ

Представим в равенстве (19) правую часть как М, при условии Т = ТЛЕ, тогда

осадка лесотранспортной единицы будет рассчитываться следующим образом: М

Т =

(20)

Р^ЛЕВЛЕ

Формула (20) является конечным выражением для расчета осадки поперечного ряда (лесотранспортной единицы). При определении осадки длина лесотранспорт-ной единицы ЬЛЕ принимается равной длине поперечного ряда или ширине плота. В

свою очередь ширина лесотранспортной единицы ВЛЕ принимается равной ширине поперечного ряда или длине плоской сплоточной единицы. Если лесотранспортная единица (поперечный ряд) имеет более сложную структуру, в плане большего количества частей разной плотности, то в равенстве (17) правая часть усложняется на количество дополнительных частей, а ширина и длина лесотранспортной единицы соответственно будут иметь другие значения.

В практических условиях может встречаться вариант, когда поперечный ряд будет формироваться из двух или трех плоских сплоточных единиц обычной конструкции и стабилизированной плавучести. Для таких случаев рассматриваемая методика определения осадки поперечного ряда - справедлива, но формулы равновесия на воде поперечного ряда будут иметь менее сложную структуру, зависящую от количества плоских сплоточных единиц в ряду. Данный факт обязательно принимается во внимание при определении осадки поперечного ряда и плота.

Использование предложенной конструкции плота и методик определения его осадки в зависимости от размера и характера установки плоских сплоточных единиц в ряду позволит осуществлять буксировку плотов по рекам с малыми глубинами, более полно использовать их пропускную способность, увеличить объем доставляемой древесины по водным путям.

Выводы

1. Особенность предложенной конструкции плота заключается в размещении посередине поперечного ряда плоских сплоточных единиц стабилизированной плавучести, которые в совокупности с крайними сплоточными единицами обеспечивают меньшую осадку поперечного ряда и плота в целом, а, следовательно, данный вид плота может без проблем транспортироваться по малым и средним рекам.

2. Предложенные три способа определения осадки поперечного ряда в зависимости от размеров и характера установ-

ки плоских сплоточных единиц обычной конструкции и стабилизированной плавучести в ряде позволяют рассчитать осадку плота при различных вариациях конструктивного исполнения.

Библиографический список

1. Митрофанов А.А. Лесосплав. Новые технологии, научное и техническое обеспечение. - Архангельск: Изд-во АГ-ТУ, 2007. 492 с.

2. Пат. 2290337 РФ, МПК В 63 В 35/62. Плот / А.А. Митрофанов, Г.Я. Суров, А.Н. Вихарев; заявитель и патентообладатель АГТУ. № 2004100909/11; заявл. 09.01.2004; опубл. 20.06.2005, бюл. № 36.

3. Пат. 72953 РФ, МПК В 65 G 69/20. Плот / Г.Я. Суров, Н.С. Главатских; заявитель и патентообладатель АГТУ. № 2007148730/22; заявл. 24.12.2007; опубл. 10.05.2008, бюл. № 13.

4. Митрофанов А.А. Научное обоснование новых технологий лесосплава по рекам с малыми глубинами // Ресурсосберегающие и экологические перспективные технологии и машины лесного комплекса будущего: матер. междунар. научн. конф., посвящ. 55-летию лесоинженерного факультета ВГЛТА / ВГЛТА. Воронеж, 2009. С.319-324.

5. Перфильев П.Н. Исследование гидродинамических характеристик линеек из плоских сплоточных единиц // ИВУЗ «Лесной журнал», 2009. № 1. С. 44-51.

6. Мурашова О.В. Гидродинамические характеристики лесосплавных плоских сплоточных единиц: автореф. дис. ...

канд. техн. наук: 05.21.01 / АГТУ. Архангельск, 2007. 19 с.

7. Васильев В.В. Анализ факторов, определяющих эффективность плотового сплава древесины // Лесотехнический журнал / ВГЛТА, 2011. № 3. С. 71-80.

8. Афоничев Д.Н., Васильев В.В., Папонов Н.Н. Совершенствование конструкции плота для сплава древесины по рекам с малыми глубинами // Политематический сетевой электронный научный журнал КубГАУ [Электронный ресурс]. 2012. № 76(02). URL: http://ei.kubagro.ru/2012/02/ pdf/22.pdf.

9. Пат. 2381949 РФ, МПК В 63 В 35/62, 35/58. Сплоточная единица / Д.Н. Афоничев, Н.Н. Папонов, В.В. Васильев; заявитель и патентообладатель ВГЛТА. №

2008146180/11; заявл. 21.11.2008, опубл. 20.02.2010, бюл. № 5.

10. Афоничев Д.Н., Папонов Н.Н., Васильев В.В. Сплоточная единица стабилизированной плавучести // ИВУЗ «Лесной журнал», 2010. № 6. С. 114-120.

11. Афоничев Д.Н., Папонов Н.Н., Васильев В.В. Выбор гибкого водонепроницаемого материала для стабилизации плавучести сплоточных единиц // Лесотехнический журнал / ВГЛТА, 2011. № 1. С. 95-99.

12. Васильев, В.В. Эксплуатационные показатели сплоточной единицы стабилизированной плавучести // Ученые записки Петрозаводского государственного университета. 2011. № 8. С. 100-103.