CC BY
58
РАЦИОНАЛЬНОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЛЕСНЫХ РЕСУРСОВ И ДРЕВЕСНЫХ ПРОДУКТОВ
4. Esakov VA. Obzor i analiz ispol ’zovaniya vozmozhnykh istochnikov izmeritel ’noi informatsiipo kosmicheskim ob»ektam v rabotakh, svyazannykh s «kosmicheskim musorom» [Overview and analysis of the use of possible sources of measurement data on space objects in the work connected with «space debris»]. Technical report OCD «ASPAS GST», TSNIIMASH-at MSFU, 2006, page 37.
5. Burkov V.D., Esakov V.A., Kufal G.E., Kapranov Y.S., Perminov S.V., Kharitonov N.A. Problemaprotivodeistviya asteroidnoi opasnosti kosmicheskimi sredstvami [Problem of counteraction to Asteroid Threat by using space resources]. Moscow state forest university bulletin - Lesnoy vestnik, 2011, № 5 (81), p. 157-169.
6. Chertok B.E. Rakety i lyudi: O rabote nadpilotiruemoi lunnoiprogrammoi: Vospominaniya. [Rockets and People: about the work on the manned lunar program: Memories] v.4. M.: Mechanical engineering. 2002. 569 p.
7. Luna - shag k tekhnologiyam osvoeniya Solnechnoi sistemy [Moon - a step towards the technologies of mastering the Solar System]. Moscow: RSC Energia. 2011. 584 p.
8. Perminov A.N., Moiseev N.F., N.N. Sevastyanov and others Perspektivy osvoeniyaLuny [Prospects of development of the Moon]. Math. RAS. Energy. 2006. № 1. pp. 3-14.
9. Epov B.A. Osnovy vzryvnogo dela [Fundamentals of explosives]. Moscow: Military Publishing, 1974, 224 p.
10. Boatmen A.B., Kapranov Y.S., Kufal G.E., Perminov S.V. Mekhanizm vzaimodeistviya biologicheskikh ob»ektov [The mechanism of interaction of biological objects]. Electromagnetic waves and electronic systems, 2010, vol. 15, № 11. pp. 44-53.
ПЛАВУЧЕСТЬ ТРАНСПОРТНЫХ ЕДИНИЦ ИЗ МЯГКИХ КОНТЕЙНЕРОВ СО ЩЕПОЙ
С.П. КАРПАЧЕВ, проф. каф. транспорта лесаМГУЛ, д-р техн. наук,
Е.Н. ЩЕРБАКОВ, доц. каф. древесиноведения МГУЛ, канд. техн. наук,
Д.В. ШМЫРЕВ, асп. каф. транспорта леса МГУЛ
karpachev@mgul.ac.ru, scherbakov@mgul.ac.ru ФГБОУ ВПО «Московский государственный университет леса» 141005, Московская обл., г. Мытищи-5, ул. 1-я Институтская, д. 1, МГУЛ
Рассматриваются вопросы плавучести транспортных единиц конструкции МГУЛ, сформированных из мягких контейнеров со щепой. Применение мягких контейнеров имеет целый ряд преимуществ: повышение производительности оборудования, улучшенная логистика, возможность применения водного транспорта и др. Эффективность транспортировки контейнеров по воде сплавом определяется их судоходными характеристиками, в частности плавучестью. Рассмотрена плавучесть водонепроницаемого и водопроницаемого контейнера со щепой. Контейнер имеет форму вертикального цилиндра, в основании которого лежит круг. Рассмотрены математические модели нахождения контейнерасощепой сводонепроницаемой и водопроницаемой оболочкой. Установленызависимости относительной осадки водонепроницаемого контейнера от относительной плотности щепы для разных значений коэффициента полнодревесности щепы. Сложность определения плотности щепы в водопроницаемом контейнере аналитически заключается в том, что не вся щепа одновременно находится в воде. Контейнер погружается в воду постепенно по мере намокания щепы. При этом изменение плотности древесины щепы в контейнере по его высоте будет происходить неравномерно. С учетом сложности процесса в работе расчет изменения плотности древесины щепы в контейнере решено было проводить численными методами. Для решения задачи изменения во времени осадки водопроницаемого контейнера и плотности древесины щепы способом численного моделирования был разработан алгоритм, реализованный в программной среде Delphi 7. Численное моделирование позволило установить характер изменения плотности древесины щепы при нахождении контейнера на воде. Установлено, что средняя плотность древесины щепы при естественном плавании водопроницаемого контейнера будет увеличиваться медленней, чем расчетная, полученная по аналитическим формулам. Изменения средней плотности щепы в водопроницаемом контейнере, которое было получено в результате численного моделирования, и расчетное значение имеют одинаковый характер изменения.
Ключевые слова: лесосечные отходы, плавучесть, мягкие контейнеры.
В настоящей статье рассматриваются вопросы плавучести транспортных единиц конструкции МГУЛ [10], сформированных из мягких контейнеров со щепой. Некоторые подобные транспортные единицы уже рассматривались ранее [1-9]. В статье транспортную единицу будем называть контейнером.
Применение мягких контейнеров имеет целый ряд преимуществ: повышение про-
изводительности оборудования, улучшенная логистика, возможность применения водного транспорта и др.
Эффективность транспортировки контейнеров по воде сплавом определяется их судоходными характеристиками, в частности плавучестью.
Рассмотрим плавучесть водонепроницаемого и водопроницаемого контейнера со щепой.
102
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 1/2015
РАЦИОНАЛЬНОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЛЕСНЫХ РЕСУРСОВ И ДРЕВЕСНЫХ ПРОДУКТОВ
Пусть контейнер имеет форму вертикального цилиндра, в основании которого лежит круг. Общий вид контейнера со щепой на воде представлен на рис. 1. Весом оболочки контейнера будем пренебрегать.
Условие равновесия герметичного контейнера со щепой
G = P , (1)
где Gk - сила веса контейнера со щепой, Н;
Рк - сила поддержания, Н.
Эти силы равны
G = р g V k = р g x(nd 2)/4xh k , (2)
P = pg V = pg x(nd2)/4xj, (3)
где рщ - плотность древесины щепы, кг/м3; g - ускорение свободного падения, м/с2; Vk - объем контейнера, м3; ku^ - коэффициент полнодревесности щепы; hK - высота контейнера, м; d - диаметр контейнера, м; рв - плотность воды, кг/м3;
V - объем погруженной части контейнера, м3;
Тк - осадка контейнера, м.
Подставляя в (1) значения (2) и (3), получим в безразмерном виде
Т /h = (р /р ) k о Т = р k . (4)
Для наглядности уравнение (4) представим в виде кривых изменения относительной осадки контейнера от относительной плотности щепы для разных значений коэффициента полнодревесности щепы (рис. 2).
Эти зависимости представляют собой прямые линии. Значения относительной осадки, при относительной плотности щепы равной единице, численно равны коэффициенту полнодревесности щепы в контейнере.
Оценка плавучести контейнера значительно усложняется, если оболочка контейнера водопроницаема. В этом случае необходимо учитывать изменение плотности щепы вследствие контакта с водой. Причем, процесс водопоглощения щепы во времени нестационарный.
В этом случае условие равновесия контейнера, с учетом изменения веса водопроницаемого контейнера со щепой во времени
GK(t) = PK(t), (5)
где t - время нахождения контейнера в воде, с.
Эти силы будут равны
G(t) = р„(0 g х (Ч2)/4 х hкщ (6)
PK(t) = рв g X(ndK2)/4XTK(t) kщ. (7)
С учетом (6) и (7) запишем(5) в виде р (t) = Т (t), (8)
где рщ(/)/рв = ротнщ (t) - относительная текущая плотность щепы;
T (t)/h = Т (t) - относительная текущая
осадка контейнера.
Из соотношения (8) следует, что увеличение плотности щепы приводит к соответствующему увеличению осадки контейнера. За время At нахождения водопроницаемого контейнера в воде происходит увеличение его относительной осадки на величину A вследствие приращения относительной плотности древесины щепы Аротн за то же время.
Для определения относительной плотности щепы можно воспользоваться уравнением водопоглощения щепы, полученным в форме известного уравнения Патякина В.И. [11]
р = р - (р - р) е~2 z , (9)
- предельная плотность древесины щепы;
- начальная плотность древесины щепы;
коэффициент водопоглощения древесины щепы.
Сложность определения плотности щепы в контейнере по формуле (9) в том, что не вся щепа одновременно находится в воде. Контейнер погружается в воду постепенно, по мере намокания щепы. При этом изменение плотности древесины щепы по высоте будет происходить неравномерно.
С учетом сложности процесса в работе расчет изменения плотности древесины щепы в контейнере проводили численными
где рп рн
z -
Рис. 1. Общий вид мягкого контейнера со щепой на воде
Fig. 1. General view of the soft container with chips on the water
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 1/2015
103
РАЦИОНАЛЬНОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЛЕСНЫХ РЕСУРСОВ И ДРЕВЕСНЫХ ПРОДУКТОВ
Рис. 2. Изменение относительной осадки контейнера от относительной плотности щепы для разных значений коэффициента полнодревесности щепы кщ Fig. 2. Changes in precipitation container on the relative density of chips for different values of the coefficient wood full chips кщ
методами. Расчетная схема представлена на рис. 3.
Рис. 3. Схема к расчету плавучести водопроницаемого контейнера
Fig. 3. Scheme of the calculation of buoyancy permeable container
В основу численного подхода положена замена непрерывного погружения контейнера в воду вследствие постепенного изменения плотности древесины щепы на дискретное погружение контейнера слоями Ah за время At.
В начальный момент нахождения контейнера в воде плотность древесины щепы рн будет одинаковой по всему объему. Осадка контейнера Т может быть определена по формуле
T=(рщУ) h (10)
В воде слой щепы в пределах осадки будет интенсивно впитывать воду. Плотность древесины через промежуток времени At приведет к увеличению плотности древесины щепы на величину Арщ. Это, в свою очередь, приведет к изменению осадки контейнера на величину Ahk1. Далее процесс водопоглощения будет продолжаться в слое первоначальной осадки и начнется в новом погруженном слое. Причем, интенсивность водопоглощения в каждом из этих слоев будет разной. Через некоторое время плотность погруженной древесины щепы увеличится и контейнер дополнительно опустится на величину A2. Так будет продолжаться до тех пор, пока контейнер полностью не погрузится в воду.
Для решения задачи изменения во времени осадки контейнера и плотности дре-
104
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 1/2015
РАЦИОНАЛЬНОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЛЕСНЫХ РЕСУРСОВ И ДРЕВЕСНЫХ ПРОДУКТОВ
^Jjg
/генное моделирование изменения осадки водопроницаемого контейнера.
SB
■ Исходные денные Начальная плотность щепы, кг/кубм Предельная плотность щепы, кг/куб.м Высота контейнера, м Толщина слоя, м Коэффициент водопоглощения Число дней контейнера на плаву
Результаты моделирования
|800 Начальная осадка контейнера м |
|1150 Число слоев 1
|1 Средняя плотность щепы, кг/куб м |
|0.02 Время потери плавучести, сут. I
|0.0894 Плотность щепы расчетная, кг/куб.м 1
|1 Потеря плавучести расчетная, сут. |
0.8
848,403772720929
1.04166666560607
057,304401944948
расчет
Рис. 4. Интерфейс программы численного моделирования изменения плотности щепы в водопроницаемом контейнере
Fig. 4. The program interface is numerical modeling changes in the density of chips in permeable container
Рис. 5. Зависимости изменения плотности древесины щепы от времени, полученные по формуле и по результатам численного моделирования
Fig. 5. The dependence of the density of wood chips from the time obtained by the formula and the results of numerical simulation
весины щепы описанным выше способом численного моделирования был разработан алгоритм, реализованный в программной среде Delphi 7. Интерфейс программ представлен на рис. 4.
Численное моделирование позволило установить характер изменения плотности древесины щепы при нахождении контейнера на воде. На рис. 5 представлены кривые изменения плотности древесины щепы от времени, полученные по формуле и по результатам численного моделирования. Для сравнения на этот же график поместим кривую изменения
плотности древесины щепы, полученную по формуле (9). Исходные данные для представленного графика:
- начальная плотность древесины щепы - р^н = 800 кг/м3,
- фракция щепы - 10-20 мм.
Отметим, что программы численного
моделирования позволяют использовать любые значения исходных данных.
Как видно из графика, средняя плотность древесины щепы при естественном плавании контейнера будет увеличиваться медленней, чем расчетная.
ЛЕСНОИ ВЕСТНИК 1/2015
105
РАЦИОНАЛЬНОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЛЕСНЫХ РЕСУРСОВ И ДРЕВЕСНЫХ ПРОДУКТОВ
Интересно отметить одинаковый характер изменения средней плотности щепы в контейнере, которое было получено в результате численного моделирования, и расчетное значение.
Работа выполнена в рамках государственного задания Министерства образования и науки РФ.
Библиографический список
1. Карпачев, С.П. Некоторые вопросы технологии освоения биоресурсов из леса для нужд биоэнергетики / С.П.Карпачев, Е.Н.Щербаков, И.Д.Грачев // Лесопромышленник, 2009. - № 49. - С. 23.
2. Карпачев, С.П. Некоторые вопросы освоения биоресурсов из леса для нужд биоэнергетики / С.П. Карпачев, Е.Н.Щербаков, А.Н. Комяков // Вестник МГУЛ - Лесной вестник, № 4 (73). - 2010. - С. 107-111.
3. Карпачев, С.П. Проблемы развития биоэнергетики на основе древесного сырья в России / С.П. Карпачев, Е.Н.Щербаков, ГЕ. Приоров // Лесопромышленник, февраль-март, 2009. - № 1 (49).
4. Карпачев, С.П. Производство дров для жилищно-коммунального хозяйства лесных поселков и городов / С.П.
Карпачев, Е.Н.Щербаков, Г.Е. Приоров // Лесопромышленник, апрель-июнь, 2010, № 2 (54).
5. Карпачев, С.П. Некоторые вопросы технологии освоения и водного транспорта биоресурсов из леса для биоэнергетики / С.П. Карпачев // Ученые записки РГСУ Экологическая безопасность и природопользование. № 5 - 2009г., с. 130-138.
6. Карпачев, С.П. Моделирование логистических систем лесных материалопотоков / С.П. Карпачев, В.В. Лозо-вецкий, Е.Н. Щербаков // Транспорт: наука, техника, управление. / Научный информационный сборник. РАН ВИНИТИ - 2011. - № 8. - С. 16-20.
7. Комяков, А.Н. Применение большегрузных плавучих контейнеров для нужд биоэнергетики / А.Н. Комяков, С.П. Карпачев // Вестник МГУЛ - Лесной вестник, 2010, № 4 (73). - С. 104-107.
8. Карпачев, С.П. Моделирование технологических процессов освоения древесины на ложе водохранилищ / С.П. Карпачев, Е.Н. Щербаков, Е.В. Солдатова // Вестник МГУЛ - Лесной вестник, 2013, № 1. - С. 56-61.
9. Карпачев, С.П. Транспортная единица для лесосплава / С.П. Карпачев, Е.Н. Щербаков и др. - Патент № 2013147054/11(073109) от 31.03.2014.
10. Карпачев, С.П. Транспорт технологической щепы по воде в мягких контейнерах: дисс. ... канд. техн. наук / С.П. Карпачев. - М., 1985. - С. 17.
BUOYANCY OF TRANSPORT UNITS FROM FLEXIBLE CONTAINERS WITH CHIPS Karpachev S.P., Prof. MSFU, Dr. Sci. (Tech.); Sherbakov E.N., Assoc. Prof. MSFU, Ph.D (Tech.); Shmyrev D.V., gr.
MSFU
karpachev@mgul.ac.ru, scherbakov@mgul.ac.ru Moscow State Forest University (MSFU), 1st Institutskaya st., 1, 141005, Mytischi, Moscow reg., Russia
The article considers the issues of buoyancy transport units designed at MSFUformed from flexible containers with chips. The use offlexible containers has a number of advantages: improved performance, improved logistics, the application of water transport etc. The efficiency of container transport by water rafting is determined by their shipping characteristics, in particular, buoyancy. The article discusses the buoyancy of a waterproof and water-permeable container with wood chips. The container has the shape of a vertical cylinder with a circle in the basement. This paper presents a mathematical model of the location of the container with chips in the waterproofand permeable environment. The dependence of the relative precipitation of a waterproof container on the relative density of wood chips for different values of the coefficient of chips completeness. The complexity of determining the density of the chips in the waterproof container is analytically in the fact that not all chips are in the water at the same time. The container is immersed in the water gradually wetting the chips. Thus the density of the wood chips in the container will change unevenly. Given the complexity of the process, the calculation of the changes in the density of the wood chips in the container was to be calculated by numerical methods. For solving the problem of the changes in the time ofprecipitation of a waterproof container and density of the wood chips by way of numerical simulation, an algorithm has been developed. This algorithm was implemented in the programming environment Delphi 7. The numerical simulation has allowed to establish the nature of changes in the density of the wood chips when the container is on the water. It has been established that the average density ofwood chips with a natural swimming ofa waterproof container will increase more slowly than estimated by analytical formulas. The changes in the average density of the wood chips in a waterproof container, which was obtained in the numerical simulation, and the calculated value have the same nature of change.
Keywords: wood chips, buoyancy, flexible containers
References
1. Karpatchev S.P., Scherbakov E.N., Grachev I.D. Nekotorye voprosy tekhnologii osvoeniya bioresursov iz lesa dlya nuzhd bioenergetiki [Some of the issues of technology development of bio-resources of forests for bioenergy]. Lesopromyshlennik. 2009. No. 49. p.23.
2. Karpatchev S.P., Scherbakov E.N., Komyakov A.N. Nekotorye voprosy osvoeniya bioresursov iz lesa dlya nuzhd bioenergetiki [Some questions the OS is properly absorbed biological resources from the forest for bioenergy]. Moscow state forest university bulletin - Lesnoy vestnik, No. 4 (73). 2010. pp. 107-111.
3. Karpatchev S.P., Scherbakov E.N., Priorov G.E. Problemy razvitiya bioenergetiki na osnove drevesnogo syr ’ya v Rossii [Problems of development of bio-energy from wood raw materials in Russia]. Lesopromyshlennik, February-March 1 (49). 2009.
4. Karpatchev S.P., Scherbakov E.N., Priorov G.E. Proizvodstvo drov dlya zhilishchno- kommunal’nogo khozyaistva lesnykh poselkov i gorodov [The production of wood for housing and utilities of forest villages and towns]. Lesopromyshlennik, April-June 2 (54). 2010.
106
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 1/2015
