Расчет продолжительности и пути переформирования многорядного плота Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

Information about authors

Sushkov Sergey Ivanovich - Head of the Department of Industrial Transport, Civil Engineering and Geodesy, Federal State Budget Education Institution of Higher Education «Voronezh State University of Forestry and Technologies named after G.F. Morozov», DSc in Engineering, Professor, Voronezh, Russian Federation, e-mail: [email protected].

Pilnik Yulia Nikolaevna - Senior Lecturer, Federal State Budget Education Institution of Higher Professional Education «Ukhta State Technical University», PhD in Engineering, Ukhta, Russian Federation, e-mail: [email protected].

DOI: 10.12737/18735 УДК 630*378.33

РАСЧЕТ ПРОДОЛЖИТЕЛЬНОСТИ И ПУТИ ПЕРЕФОРМИРОВАНИЯ

МНОГОРЯДНОГО ПЛОТА

кандидат технических наук, доцент И. В. Четверикова ФГБОУ ВО «Воронежский государственный лесотехнический университет имени Г. Ф. Морозова», г. Воронеж, Российская Федерация

Дано описание конструкции многорядного плота, не требующего вынужденной остановки перед переформированием. Представлен краткий обзор конструкций плотов, предназначенных для переформирования потоком воды, дана принципиальная схема усовершенствованного плота, показан вывод формул, определяющих кинематические и динамические показатели процесса переформирования. Рассмотрен вид переформирования плота, предусматривающий изменение его габаритов в плане при постоянном объеме. Выделены три этапа переформирования плотов: первый этап -разгон до определенной скорости, на втором этапе переформирования плота осуществляется разворот секций с постепенным увеличением силы гидродинамического давления воды на борт секций-линеек, на заключительном этапе происходит установка секций-линеек в транспортное положение. Представлены способы осуществления переформирования, наиболее целесообразным из которых предложено считать способ с использованием свойств гидродинамического давления воды, который не требует привлечения дополнительного буксировщика, имеет большую скорость переформирования, что позволяет минимизировать трудовые и денежные затраты на выполнения всех видов работ. Получены аналитические зависимости для расчета продолжительности и пути переформирования многорядного плота, учитывающие особенности его конструкции, предназначенной для переформирования под действием потока воды, и позволяющие установить створы сплавного пути, в которых следует начинать переформирование для обеспечения его безопасности. В расчетных формулах учтено наличие в линейках плота сплоточных единиц стабилизированной плавучести. На основании полученных данных и в зависимости от глубины сплавного хода появляется возможность произвести безаварийное переформирование плота с изменением его габаритов на месте, используя оптимальные схемы установки секций-линеек в плане.

Ключевые слова: переформирование многорядного плота, время переформирования, путь переформирования, вращательное движение секции-линейки, этап переформирования.

CALCULATION THE DURATIONANDTHE WAY FORMATION MULTI-ROW RAFT

PhD in Engineering, Associate Professor I. V. Chetverikova Federal State Budget Education Institution of Higher Education «Voronezh State University of Forestry and Technologies named after G.F. Morozov», Voronezh, Russian Federation

Abstract

We describe the construction of raft that does not require forced stop before the formation. A brief review of design of rafts, designed to re-adjust the water flow, schematic diagram of the improved raft, shows the output of the formulas that determine the kinematic and dynamic performance of the reconfiguration process. Considered view of the formation of raft involving changes its dimensions in terms of at constant volume. Three stages of the formation rafts: the first stage acceleration to a certain speed, at the second stage of the formation of the raft is the reversal of sections of gradually increasing the force of the hydrodynamic water pressure on the side sections-lines, the final stage is the installation sections-lines in the transport position. The implementation of the formation, the most appropriate of which is proposed as the method using the properties of the hydrodynamic water pressure that doesn't require additional towing, has a faster reorganization, which minimizes labor and costs to perform all types of work. Analytical dependences for calculation of duration and ways of forming multi-row the raft, taking into account the peculiarities of its design, intended to reorganize under the action of water flow, and allow the floatable sections of the path in which to begin the formation for its security. In calculating formulas take into account the presence in the lines of the raft raft sections; stable buoyancy. On the basis of the received data is a compilation of the waters of the river, reservoir or lake, where the floatable size range allow for trouble-free formation of the raft that is relevant is exactly the same as the increase in the volume of the raft by changing its size and schema installation sections-lines in the plan.

Keywords: The way formation multi-row raft, the time of the formation, the path formation, the rotational movement of the section-line, the phase formation.

Переформирование плота может осу- нии плота требуется большое количество

ществляться несколько раз на пути его бук- оборудования и рабочей силы, на содержание

сировки или отсутствовать, все зависит от которых затрачивается много денежных

транспортных условий и назначения букси- средств, что повышает себестоимость сплава

руемого плота. Актуальным в настоящее древесины [1, 2].

время является увеличение объема плота и Рассмотрим один из видов переформи-изменение его габаритов путем увеличения рования плота, предусматривающий измене-количества секций (линеек) в плоту и изме- ние его габаритов в плане при постоянном нения схемы их установки в плане. Это по- объеме [3, 4, 5]. Этот вид переформирования зволяет минимизировать трудовые и денеж- нашел свое применение после прохода сложные затраты на выполнение всех видов работ ных участков реки или в момент перехода его по сравнению с детальным переформирова- в новые условия плавания. Выполнение дан-нием плота. При детальном переформирова- ной операции можно осуществить двумя

способами: использование дополнительного буксировщика или свойств гидродинамического давления воды. Первый способ предусматривает привлечение дополнительного буксировщика, который перемещает по акватории секции (линейки), подводит их в требуемое место и устанавливает в нужные положения для соединения в одно целое. Этот способ исключает любое движение плота во время переформирования. Второй способ использует силу гидродинамического давления воды, которая воздействует на борт секции (линейки) при движении плота, в результате чего секция (линейка) поворачивается и устанавливается в требуемое положение и после ее закрепления плот транспортируется к пункту назначения. Из рассмотренных способов переформирования более целесообразным является второй способ, который не требует привлечения дополнительного буксировщика и имеет большую скорость переформирования. При реализации на практике второго способа обязательно используются специальные конструкции плотов, которые предназначены для выполнения данного рода операций.

В настоящее время разработано много конструкций плотов [2, 3, 4, 5], предназначенных именно для своего переформирования за счет гидродинамического давления воды, создаваемого при движении плота относительно водного потока. На рисунке представлен плот, который не требует вынужденной остановки перед переформированием [4]. Многорядный плот состоит [4] из четырех унифицированных секций-линеек 1, каждая из которых оборудована лежневыми креплениями 2, коушами 3 и поперечными креплениями 4, которые скрепляют только

две секции-линейки, находящиеся посередине плота. Две секции-линейки, расположенные с правой стороны, и две секции-линейки, расположенные с левой стороны относительно буксировщика, соединяются в хвостовой части шарнирами 5, в плане эти шарниры расположены между двумя углами двух левосторонних секций-линеек и правосторонних. Соединение шарнирами необходимо осуществлять при формировании плота.

в)

Рисунок. Многорядный плот [4]: а - перед переформированием; б - во время переформирования; в - после переформирования

После формирования многорядного плота его транспортируют по сложному участку реки, причем буксировка секций, находящихся посередине плота (рис. а), происходит посредством лежней 2, а крайних - за

счет вожжевых буксировочных тросов, которые соединены с буксировщиком 7 и крепятся за крайние коуши 3 секций-линеек. При выводе плота на безопасный участок, при условии, что габариты реки позволят осуществить процесс переформирования плота, с буксировщика сбрасываются вожжевые буксирные тросы 6 крайних левых и правых секций-линеек. В процессе безостановочной буксировки плота за две оставшиеся секции посредством двух лежней 2 (рис. б) в результате гидродинамического сопротивления осуществляется разворот крайних секций-линеек на 180° вокруг их шарнирного соединения 5. После разворота секции-линейки 1 располагаются в два ряда (в кильватер друг к другу) и автоматически фиксируются автосцепкой 8 в хвостовой части.

При полной остановке плота с него снимают вожжевые буксирные тросы 6 и дополнительно для повышения его прочности в стыке четырех секций-линеек посередине плота их соединяют между собой гибкими связями 9 (рис. в). В таком виде плот буксируется по реке или морю до пункта назначения.

Для осуществления безопасного переформирования плота необходимо знать время и требуемое расстояние для осуществления этого процесса. На основании полученных данных будет выполнена подборка акватории реки, водохранилища или озера, где габариты сплавного хода позволят произвести безаварийное переформирование плота.

Рассмотрим методику определения времени и расстояния, потребного для переформирования многорядного плота, пред-

четыре секции. Каждая секция состоит из определенного количества сплоточных единиц обычной конструкции и плоских сплоточных единиц стабилизированной плавучести [6, 7, 8]. При переформировании плота ось, вокруг которой происходит вращение секций, совпадает с осью шарниров, за которую принимаем ось 2/. Обуславливаемся, что плот имеет только вращательное движение вокруг оси ^ и поступательное относительно оси X Плот переформировывается в спокойной воде после достижения его постоянной скорости. Для данных условий на основе материалов работы [9] можно записать систему уравнений:

I

мпах = 1 р*; dc

к=1

IК

^ к.

, /к с2 /к

(1)

^ к=1 где МП - масса плота, кг;

ах - мгновенное ускорение плота относительно координаты х, м/с2;

Рхк - присутствующие силы при поступательном перемещении, Н;

П - количество сил, возникающих при перемещении, шт.;

Iг - момент инерции тела относительно

мгновенной оси, проходящей через центр инерции, кг-м2;

СО - мгновенная угловая скорость,

рад/с;

? - время, с;

К

9>г /к

силы, вызывающие поворот

плота, Н;

1с к - плечо силы, м.

г/

Процесс переформирования плота при

ставленного на рисунке. Пусть плот имеет

заданных условиях делится на три этапа. На первом этапе происходит разгон плота от скорости V = 0 до V = const. После достижения постоянной скорости осуществляется второй этап переформирования плота, включающий разворот секций на угол (р = 90°, когда происходит постепенное увеличение силы гидродинамического давления воды на борт секций-линеек. Третий, заключительный, этап - установка секций-линеек в транспортное положение, при этом выполняется поворот секций на 90° и постепенное уменьшение гидродинамического давления воды на борт секций-линеек.

Первый этап переформирования описывается первым уравнением системы (1). Решение этого уравнения для времени t р1

м+vr + Мк

JR -Vr 2rR

(l+n)k

Й

+vr

JR

-vr

—Jn-

R

R-V

(2)

где М,

1 дПск - масса древесины, коры, сплоточного и формировочного такелажа и дополнительного оснащения в части плота со сплоточными единицами стабилизированной плавучести, кг;

Гс - приведенное сопротивление плота,

кг/м;

- сумма сил, действующих на плот

при его разгоне, Н;

V - техническая скорость плота, м/с; МдПок - масса древесины, коры, сплоточного и формировочного такелажа и дополнительного оснащения в части плота со сплоточными единицами обычной конструкции, кг;

n

n2 - параметры эмпирической

формулы.

Следует отметить, что методика определения гс, Rz и параметров п1, п2, подробно представлена в работе [10]. Для расстояния sр1

м,

jm h 2rc

Мш

i+n

2 R-rcV

R,-rf

-^R Г-2JR Ъ

(3)

Второй этап переформирования описывается вторым дифференциальным уравнением системы (1), которое для заданных условий запишется следующим образом:

= (-rb ±0,5R)Lc

dt

(4)

где FГд - сила гидродинамического давления воды, Н;

RСВ - сила сопротивления воды при вращательном движении плота, Н;

Rв - сила влечения от ветра, Н;

LСЛ - длина секции-линейки, м.

Так как сила гидродинамического давления воды на секцию-линейку в первоначальный момент времени имеет минимальное значение, а при повороте на 90° - максимальное, то

1 ., (5)

3.

1 2

Frn = ^ Pv ьслтСЛ sin^

где р - плотность воды, кг/м ;

ТСЛ - осадка секции-линейки, м.

Из выражения (4) сила влечения от ветра будет определяться по формуле [10]

К =(Св (НСЛ - Тел ) + /ВВСЛ ) Рв^, (6) где С,В - коэффициент сопротивления давлению воздуха, С,В =0,13;

НПС - высота секции-линейки, м;

/В - коэффициент сопротивления

R

z

s

трению воздуха, fВ =0,02;

рВ - плотность воздуха, рВ =1,225 кг/м3;

УВ - скорость ветра, м/с. Сопротивление воды при вращении секции-линейки рассчитывается по формуле

КСВ = kППPLСЛTСЛc2, (7)

где kПП - коэффициент пропорциональности, равный 0,6.

Обозначим что kПП рЬСЛТСЛ = А , тогда с учетом этого зависимость (4) примет

вид

^^СС = рщ"СЛ ~ АЬСЛю1 ± 0 5к"л.

(8)

В полученном выражении, принимая во внимание, что секция-линейка вращается вокруг оси проходящей через шарнир, то момент инерции 1г равен

_ 1 2

12 = 3 мсл"сл,

(9)

где MСЛ - масса секции-линейки, кг.

МСЛ = МДСЛок + МДСЛок ^ + ") , (Ю)

где МДСЛек - масса древесины, коры, сплоточного и формировочного такелажа и дополнительного оснащения в части секции-линейки со сплоточными единицами стабилизированной плавучести, кг;

МДСЛок - масса древесины, коры,

сплоточного и формировочного такелажа и дополнительного оснащения в части секции-линейки со сплоточными единицами обычной конструкции, кг;

п - коэффициент нестационарности движения, определяемый по зависимости, представленной в работе [10].

На основании уравнений (8) - (10) по-

лучим дифференциальное уравнение вращательного движения секции-линейки

(МДСЛок +МДСЛок (1+ п))^ = РГд"сЛ ~ ± 0,5КАл. (1 1)

Обозначим что (КГД ± 0,5К )Ьсл = , и,

сделав некоторые преобразования, получим конечное дифференциальное уравнение для определения времени переформирования плота на втором этапе:

(МДСЛок + МДСЛок (1 + п))^ = КЕ - ^СЛС

/г

Известно:

¿а ¿а

¿г

, (12)

(13)

Подставив зависимость (13) в уравнение (12), получим дифференциальное уравнение для определения угла отклонения секции-линейки

(МДСЛок + МДСЛок (1 + П))*, Ъ- А"слС (14)

Выразим из уравнения (14) угол , отклонения секции-линейки, причем в данном случае он измеряется в радианах

, = "т (МДСЛок + МДСЛок (1+ п) ){-

ас/а

, (15)

3 ^ — — ^ аЦлоР

Проинтегрировав представленную зависимость, получим

, = - "а (МДСЛок + МДСЛок

(1+п) )1п

К

АЬГ,

+с. (16)

При начальных условиях , = 0 и а = 0 постоянная интегрирования с будет равна

с = "ш. (М

6А у '

ДСЛок + М ДСЛок

(1 + п) )1п

К

АЬп

(17)

Учитывая выражения (16), (17) и сделав некоторые преобразования, получим конечную формулу для определения угла отклонения секции-линейки

, = "А(МДСЛок + МДСЛок I1 + п)) 1П

К

- а А"С

-а

Максимальная скорость вращения секции-линейки атах достигается при угле разворота секции-линейки 90°, из формулы (18) при, = 0,5^ найдем атах :

R

ALCC ALCCe

3nA

(19)

а =

L ДСЛск + МДСЛок ^ + П))

"сл (мд

Из дифференциального уравнения (12) определим время движения плота на втором этапе

а /а

Р =

72 «m

^{Мдлк +Мдлк м) j

Л

Формула (20) примет вид:

ЧRl ALC

к {1 + п))ln

alC

al

(20)

(21)

Учитывая, что плот на втором и третьем этапах переформирования имеет постоянную скорость движения, то расстояние, потребное на переформирование на втором этапе, следует определять из выражения

(22)

^ 2 = Vtp 2.

На третьем этапе переформирования плота наблюдается изменение гидродинамического давления от Frд = max до нуля, то

есть происходит обратный процесс второго этапа, но влияние формы плота на гидродинамическое сопротивление воды на третьем этапе меньше, чем на втором, так как секции-линейки имеют лучшую обтекаемость, следовательно, в формулу (5) надо ввести понижающий коэффициент, после чего расчет значений гр3 и sр3 производится по формулам (21) и (22). Зная продолжительность и путь каждого этапа переформирования, можно установить полные период и путь переформирования плота.

Эффективность переформирования многорядного плота будет обеспечиваться, при выполнении условия

Р2"СЛТСЛ »П,тт > кППр"шТСЛа1 ±ЦЬш ^пшГ

(23)

В неравенстве (23) минимальный угол отклонения ,т)п секции-линейки принимается отличным от нуля (до 3°).

Полученные аналитические зависимости для расчета продолжительности и пути переформирования плота учитывают особенности конструкции плота, предназначенной для переформирования под действием потока воды, и позволяют установить створы сплавного пути, в которых следует начинать переформирование для обеспечения его безопасности.

r

+ ®

l

Р 2

r

Библиографический список

1. Курьянов, В. К. К вопросу формирования транспортных водных потоков [Текст] / В. К. Курьянов, И. В. Четверикова // Вестник Центрально-Черноземного регионального отделения наук о лесе Российской академии естественных наук Воронежской государственной лесотехнической академии. - Воронеж, 2002. - Т. 4. - № 1. - С. 223-225.

2. Forecasting environmental responses to restoration of rivers used as log floatways: an interdisciplinary challenge [Text] / C. Nilsson [et al.] // Ecosystems 2005. - N. 8. Pp. 779-800.

3. Четверикова, И. В. Аналитические зависимости для обоснования условий переформирования многорядного плота [Текст] / И. В. Четверикова // Ученые записки

Петрозаводского гос. ун-та. - 2012. - № 2. - С. 85-87.

4. Васильев, В. В. Способы переформирования многорядных плотов [Текст] /

B. В. Васильев // Ресурсосберегающие и экологические перспективные технологии и машины лесного комплекса будущего: матер. междунар. научн. конф., посвященной 55-летию лесоинженерного факультета ВГЛТА. - Воронеж, 2009. - С. 260-264.

5. Rein, G. A river of logs, Grand Excursions on The Upper Mississippi River: Places, Landscapes, and Regional Identity after 1854-2004 [Тех] / G. Rein. - Pp. 153-172.

6. Афоничев, Д. Н. Сплоточная единица стабилизированной плавучести [Текст] / Д. Н. Афоничев, В. В. Васильев, Н. Н. Папонов // Лесной журнал. - 2010. - № 6. - С. 114-120.

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

8. Avakyan, A. B. Value of transforming the regime of rivers by reservoirs for log rafting [Тех] / A. B. Avakyan // Hydrotechnical Construction. - 1967. - Vol. 1. - Issue 7. - Pp. 607-610.

9. Корпачев, В. П. Общий вид дифференциальных уравнений движения лесотранспортных единиц в водном потоке [Текст] / В. П. Корпачев // Технология, комплексная механизация лесозаготовительных работ и транспорт леса. - Л., 1972. -

C. 112-117.

10. Митрофанов, А. А. Лесосплав. Новые технологии, научное и техническое обеспечение [Текст] / А. А. Митрофанов. - Архангельск, 2007. - 492 с.

References

1. Kuryanov V. K., Chetverikova I. V. K voprosu formirovanija transportnyh vodnyh potokov [On the issue of formation of transport water flows]. Vestnik Central'no-Chernozemnogo regional'nogo otdelenija nauk o lese Rossijskoj akademii estestvennyh nauk Voronezhskoj gosudarstvennoj lesotehnicheskoj akademii. [Bulletin of the Central Black Soil Regional Branch of the Forest Sciences of the Russian Academy of Natural Sciences, Voronezh State Forestry Academy]. Voronezh, 2002, Vol. 4, no. 1, pp. 223-225. (In Russian).

2. C. Nilsson, F. Lepori, B. Malmqvist, E. Tornlund, N., Hjerdt, J. M. Helfield, D. Palm, J. Ostergren, R. Jansson, E. Brannas, H. Lundqvist. Forecasting environmental responses to restoration of rivers used as log floatways: an interdisciplinary challenge. Ecosystems, 2005, pp. 779-800.

3. Chetverikova I. V. Analiticheskie zavisimosti dlja obosnovanija uslovij pereformirovanija mnogorjadnogo plota [Analytical according to justify the conditions of the reorganization of multi-row raft]. Uchenye zapiski Petrozavodskogo gos. un-ta. [Scientific notes of Petrozavodsk State. Univ]. 2012, Vol. 2, pp. 85-87. (In Russian).

4. Vasiliev V. V. Sposoby pereformirovanija mnogorjadnyh plotov Methods for dissolution of mult-row rafts. [Methods for dissolution of multi-row rafts] Resursosberegajushhie i jekologicheskie perspektivnye tehnologii i mashiny lesnogo kompleksa budushhego: mater.

mezhdunar. nauchn. konf., posvjashhennoj 55-letiju lesoinzhenernogo fakul'teta VGLTA [Resource and environmental promising technologies and machines Forest Complex Futures mater.mezhdunar. Scien. Conf., dedicated to the 55th anniversary of the Faculty of Forestry VGLTA].Voronezh, 2009, pp. 260-264. (In Russian).

5. Rein G. A river of logs, Grand Excursions on The Upper Mississippi River: Places, Landscapes, and Regional Identity after 1854-2004, pp. 153-172.

6. Afonichev D. N., Vasilyev V. V., Paponov N. N. Splotochnaja edinica stabilizirovannoj plavuchesti [Splotochnaya unit stabilized buoyancy]. Lesotekhnicheskii zhurnal, 2010, Vol. 6, pp. 114-120. (In Russian).

7. Afonichev D. N., Vasilyev V. V., Paponov N. N. Splotochnaja edinica stabilizirovannoj plavuchesti [Selecting a flexible impermeable material to stabilize the buoyancy splotochnyh units] Lesotekhnicheskii zhurnal, 2011, Vol. 1, pp. 95-99. (In Russian).

8. Avakyan A. B. Value of transforming the regime of rivers by reservoirs for log rafting. Hydrotechnical Construction, 1967, Vol. 1, Issue 7, pp. 607-610.

9. Korpachev V. P. Obshhij vid differencial'nyh uravnenij dvizhenija lesotransportnyh edinic v vodnom potoke [General view of the differential equations of motion lesotransportnyh units in the water flow] Tehnologija, kompleksnaja mehanizacija lesozagotovitel'nyh rabot i transport lesa [Technology, comprehensive mechanization of logging and transport of forest]. 1972, pp. 112-117. (In Russian).

10. Mitrofanov A. A. Lesosplav [Rafting]. Novye tehnologii, nauchnoe i tehnicheskoe obespechenie [New technologies, scientific and technical support]. Arkhangelsk, 2007, 492 p. (In Russian).

Сведения об авторах

Четверикова Ирина Владимировна - доцент кафедры механизации лесного хозяйства и проектирования машин ФГБОУ ВО «Воронежский государственный лесотехнический университет имени Г.Ф. Морозова», кандидат технических наук, доцент, г. Воронеж, Российская Федерация; e-mail: [email protected].

Information about authors

Chetverikova Irina Vladimirovna - Associate Professor Department of Forestry Mechanization and Machine Design, Federal State Budget Education Institution of Higher Education «Voronezh State University of Forestry and Technologies named after G.F. Morozov», PhD in Engineering, Associate Professor, Voronezh, Russian Federation; e-mail:[email protected].