CC BY
30
РАЦИОНАЛЬНОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЛЕСНЫХ РЕСУРСОВ И ДРЕВЕСНЫХ ПРОДУКТОВ
СТАБИЛИЗАЦИЯ ПЛАВУЧЕСТИ ТРАНСПОРТНЫХ ЕДИНИЦ ИЗ МЯГКИХ КОНТЕЙНЕРОВ СО ЩЕПОЙ С ПОМОЩЬЮ ПОДПЛАВА
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 использования подплава для стабилизации плавучести транспортных единиц конструкцииМГУЛ, сформированных из мягких контейнеров со щепой. Особенностью рассматриваемой транспортной единицы является наличие подплава и поддона. Поддон предохраняет оболочку контейнера от повреждений на мелководье, а подплав необходим для стабилизации плавучести в случае повреждения оболочки контейнера. Контейнер с водонепроницаемой оболочкой имеет небольшую осадку (в пределах 0,2-0,4 от высоты контейнера). Однако в случае повреждения оболочки осадка контейнера сразу увеличится в 2-4 раза. Контейнер потеряет плавучесть в течение 20-25 дней. Для обеспечения плавучести контейнера на более длительный срок необходим подплав. Аналитическим путем установлено, что при любых возможных на практике значениях коэффициента полнодревесности щепы и плотности материала подплава (до 50 кг/м3), минимальная доля подплава не превышает 7 %. С учетом возможного веса оболочки контейнера и такелажа можно рекомендовать минимальную долю подплава 8 %. Начальная осадка будет тем больше, чем больше коэффициент полнодревесности щепы. Это можно объяснить увеличением веса контейнера с ростом коэффициента полнодревесности при постоянном объеме подплава. Относительный диаметр подплава резко увеличивается с ростом допустимой осадки. При этом относительная плотность щепы возрастает. Доля подплава возрастает, поскольку объем определяется не только диаметром, но и высотой.
Ключевые слова: лесосечные отходы, плавучесть, мягкие контейнеры, подплав.
В настоящей статье рассматриваются вопросы использования подплава для стабилизации плавучести транспортных единиц конструкции МГУЛ [10], сформированных из мягких контейнеров со щепой (рис. 1). Подобные транспортные единицы уже рассматривались ранее [1-9].
Особенностью рассматриваемой транспортной единицы является наличие подплава и поддона. Поддон предохраняет оболочку контейнера от повреждений на мелководье, а подплав необходим для стабилизации плавучести в случае повреждения оболочки контейнера.
В дальнейшем в статье транспортную единицу будет называться контейнером.
Контейнер с водонепроницаемой оболочкой имеет небольшую осадку (в пределах 0,2-0,4 от высоты контейнера). Однако в случае повреждения оболочки осадка контейнера сразу увеличится в 2-4 раза. Далее, вследствие водопоглощения щепы, осадка контейнера будет увеличиваться. Контейнер потеряет плавучесть в течение 20-25 дней. Для обеспечения плавучести контейнера на более длительный срок необходим подплав.
Определим объем подплава и исследуем его работу. Расчетная схема контейнера с подплавом приведена на рис. 1.
Контейнер со щепой
Подплав
Рис. 1. Общий вид мягкого контейнера со щепой и подплавом на воде
Fig. 1. General view of the soft container with chips and the buoyancy aid fleet on the water
116
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 1/2015
РАЦИОНАЛЬНОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЛЕСНЫХ РЕСУРСОВ И ДРЕВЕСНЫХ ПРОДУКТОВ
Рис. 2. Зависимости минимального относительного объема подплава от плотности его материала Fig. 2. Dependence of the minimum relative volume podplava on the density of the material
0,27 п се & ас « Л1)? кщ = 0,42 кщ = 0,36 кщ = 0,30
Е- U?ZD о и се
3 U,Z3 8 о « се
л U ,Z 1 В* се 1 0 19 -
S Л р 5 0,17 -
О н О
0,15 J
0 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05
Относительная плотность подплава
Рис. 3. Зависимости относительной начальной осадки контейнера от относительной плотности материала подплава для относительной плотности щепы 0,8 и 8 % подплава Fig. 3. Relative initial draft of the container on the relative density of the material buoyancy aid for the relative density of 0,8 chips and 8 % buoyancy aid
Расчет плавучести контейнера на воде будем вести, сделав ряд допущений относительно подплава:
- подплав имеет форму цилиндра кольцевого поперечного сечения;
- высота подплава равна высоте контейнера.
Определим минимально необходимый объем подплава для случая предельной плотности щепы. Запишем уравнение равновесия контейнера
G + G = P + P , (1)
к п к п v 7
где Рп - сила поддержания от подплава, Н;
Gn - вес подплава, Н.
Эти силы равны
Gk = рщ пред g Vk kia’ (2)
P = р g V k , (3)
Gn = р„ g Vn’ (4)
P = р g V, n r в ° n (5)
объем контейнера, м3;
где Vk
Vn - объем подплава, м3.
Тогда условие равновесия (1) запишется в виде
р V k + р V = р V k + р V. (6) Откуда в безразмерном виде V = k (р д/р - 1)/(1 - р/р), (7)
отн п щ vr щ пред г в 7 v г п г в7 у у 7
где V = V / V - относительный объем под-
отн п п к
плава, м3.
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 1/2015
117
РАЦИОНАЛЬНОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЛЕСНЫХ РЕСУРСОВ И ДРЕВЕСНЫХ ПРОДУКТОВ
Рис. 4. Зависимость изменения относительной осадки контейнера от относительного диаметра (квадрата) подплава (для пневмоподплава и начальной плотности древесины щепы 800кг/м3)
Fig. 4. The dependence of the relative change in rainfall from the container relative diameter (square) buoyancy aid (for pnevmopodplava and the initial density of wood chips 800kg / m3)
где
Или, с учетом рис. 1, будем иметь
(о Л
к • г щ.пред J
щ V Ре У
1-KZL
Ре
(8)
- относительный диаметр подплава, м
В случае, когда подплав изготовлен из материалов типа пенополистирол, имеющих плотность более 10 кг/м3, необходимо учитывать его вес. Для наглядности на рис. 2 представлены графики зависимости изменения минимального относительного объема подплава от плотности его материала для различных значений коэффициента пол-нодревесности щепы.
Как следует из графика (рис. 2) и формул (7) и (8), для контейнера dK = 1 м, hK = 1 м с коэффициентом полнодревесности щепы k = 0,36, минимальный объем подплава и его диаметр будут равны
V = 1,054 м3 или 5,4 %; d = 1,027 м3. Заметим, что при любых возможных на практике значениях коэффициента полно-древесности щепы и плотности материала (до 50 кг/м3) минимальная доля подплава не превы-
шает 7 %. С учетом возможного веса оболочки контейнера и такелажа можно рекомендовать минимальную долю подплава, при которой контейнер все еще остается на плаву, равную 8 %.
Диаметр подплава при доле 8 %, можно определить из формул (8) и (7)
dn = 1,04 dK, (9)
Следовательно, диаметр подплава должен быть на 4 % больше, чем диаметр контейнера. Например, для контейнера диаметром 1 м диаметр подплава должен быть равен 1,04 м.
Исследуем работу подплава.
Обозначим
р /р = р - относительная началь-
г щн г в г отн щн
ная плотность щепы;
T /h = T - относительная началь-
кн к отн.кн
ная осадка контейнера;
р/р = р - относительная плотность
п в отн п
подплава;
(d2 - d 2)/d = d2 - относительный
п K п отн.п
диаметр подплава.
Тогда начальная осадка водопроницаемого контейнера со щепой и подплавом определится из условия
d2 )/(k + d2 ). (10)
п отн.п v щ отн.п v 7
Для доли подплава 8 % (9) и относительной начальной плотности щепы 0,8, формула (10) будет иметь более простой вид T = (0,8 k + р 1,08)/(k + 1,08). (11)
отн.кн v 7 щ г отн п 7 /ущ 7 / \ /
T = (р k + р
отн.кн УГ отн щн щ г о
118
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 1/2015
РАЦИОНАЛЬНОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЛЕСНЫХ РЕСУРСОВ И ДРЕВЕСНЫХ ПРОДУКТОВ
Рис. 5. Зависимость изменения относительного диаметра (квадрата) подплава от относительной осадки контейнера (для пневмоподплава и начальной плотности древесины щепы 800 кг/м3) Fig. 5. Dependence of the relative change in diameter (square) podplava the relative rainfall container (for pnevmopodplava and the initial density of wood chips 800 kg/m3)
Представим формулу (11) в виде графика на рис. 3. Из приведенного графика видно, что начальная осадка контейнера увеличивается с увеличением плотности подплава. Интересно, что начальная осадка будет тем больше, чем больше коэффициент полнодревесности щепы. Это можно объяснить увеличением веса контейнера с ростом коэффициента полнодревесности при постоянном объеме подплава.
Важным является не только объем, но и местоположение подплава. Положение подплава в контейнере должно обеспечивать заданную осадку, при этом контейнер должен обладать достаточным запасом плавучести и о стойчиво стью.
Относительную осадку контейнера можно определить по формуле (10). Зафиксируем относительную осадку как заданную величину. Тогда
d = (T к- р к)/(р - T ). (12)
отн.п v отн.к щ г отн щн щ7 vr отн п отн.кн v 7
В формуле (4.44) относительную плотность щепы можно определить для предельной плотности погруженной части щепы. Тогда
Р = T р + (1 - T ) р . (13)
г отн щ отн.к г отн щ пр v отн.к г отн щн v 7
Представим формулу (12), с учетом (13), в виде графика на рис. 4.
Как видно из приведенного графика, относительный диаметр подплава резко увеличивается с ростом допустимой осадки. При этом
относительная плотность щепы с увеличением допустимой осадки возрастает (рис. 5). Доля подплава возрастает, поскольку объем подплава определяется не только диаметром, но и высотой, а в нашем случае высота равна осадке.
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, АН. 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, Г.Е. 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,
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 1/2015
119
РАЦИОНАЛЬНОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЛЕСНЫХ РЕСУРСОВ И ДРЕВЕСНЫХ ПРОДУКТОВ
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.
STABILIZATION OF BUOYANCY OF TRANSPORT UNITS OF FLEXIBLE CONTAINERS WITH CHIPS WITH THE MEANS TO MAINTAIN BUOYANCY 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
This article covers the use of the means of buoyancy aid to stabilize the buoyancy of transport units, formed from flexible containers with chips.The peculiarity of the transport unit discussed in this article is the presence of buoyancy aid and a flat tray. The tray protects the shell of the container from damage in the shallow water, and the buoyancy aid is necessary for stabilizing buoyancy in case of damage to the shell of the container. A container with a water-resistant shell has a small draught (within 0.2-0.4 of the height of the container). However, in case of damage to the shell of the container, the draught of the container will increase by 2-4 times. The container will lose buoyancy in 20-25 days. To ensure the buoyancy of the container for a longer period it is necessary to use buoyancy. It has been analytically established that at all possible in practice values of the coefficient of the completeness of the chips and density of the buoyancy aid material (up to 50 kg/ m3), the minimum share of the buoyancy aid does not exceed 7 %. Considering the weight of the shell of the container and rigging, it is recommended that the minimum proportionn of the buoyancy aid, in which the container is still afloat, should be equal to 8 %. will be greater, The greater the coefficient of completeness chips is, the greater is the initial sediment. This can be explained by the increase in the weight of the container with the growth factor of completeness at constant volume of the buoyancy aid. The relative diameter of the buoyancy aid sharply increases with the growth of the permissible draft.
The relative density of wood chips increases. The share of the buoyancy aid increases, as the volume is determined not only by diameter but by its height also.
Keywords: wood chips, buoyancy, flexible containers, buoyancy aid.
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.
5. Karpatchev S.P. Nekotorye voprosy tekhnologii osvoeniya i vodnogo transporta bioresursov iz lesa dlya bioenergetiki [Some issues of technology development and water transport of biological resources from forests for bioenergy]. Moscow: Scientific notes RGSU. Environmental security and environmental management. № 5. 2009. pp. 130-138.
6. Karpatchev S.P., Lozovatsky V.V., Scherbakov E.N.Modelirovanie logisticheskikh sistem lesnykh materialopotokov [Modeling the log-socialist systems of forest material flow. M //Transport: science, technology, management] Scientific information collection. VINITI RAS - 2011, No. 8, pp. 16-20.
7. Komyakov A.N., Karpatchev S.P. Primenenie bol ’shegruznykh plavuchikh konteinerov dlya nuzhd bioenergetiki [The Use of heavy floating containers for bioenergy] Moscow state forest university bulletin - Lesnoy vestnik, No. 4 (73), 2010. pp. 104-107.
8. Karpatchev S.P., Scherbakov E.N., Soldatova E.V. Modelirovanie tekhnologicheskikh protsessov osvoeniya drevesiny na lozhe vodokhranilishch [Modeling of techno-logical development of wood on the bed of the reservoir] Moscow state forest university bulletin - Lesnoy vestnik, No. 1. 2013. pp. 56-61.
9. Karpatchev S.P., Scherbakov E.N. and others. Transportnaya edinitsa dlya lesosplava [Transport unit for rafting]. Patent No. 143038 from 09.06.2014
10. Karpatchev S.P. Transport tekhnologicheskoi shchepy po vode v myagkikh konteinerakh [Transport of wood chips on the water in soft containers]. The dissertation on competition of a scientific degree of candidate of technical Sciences. Specialty 05.21.01 Technology and machine harvesting and forestry. Moscow, 1985. pp. 17.
120
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 1/2015
