Обоснование характеристик мобильного причала для перевалки лесных грузов в условиях короткой навигации
ВВЕДЕНИЕ…………………………………………………………………
1. АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ВОПРОСА……………………………………
1.1 Судовые перевозки, как вариант доставки древесного сырья из
удалённых лесных массивов………………………………………………
1.2 Анализ существующих вариантов погрузки лесоматериалов на
суда.…………………………………………………………………………
1.3 Анализ возможностей применения плавкранов в пунктах погрузки
лесоматериалов………………………………………………………………
1.4 Мобильные причалы и их применение для решения проблемы
перевалки лесных грузов в пунктах отправления на средних и малых
реках………………………………………………………………
1.5 Аналитический обзор исследований гидродинамических
характеристик лесотранспортных единиц и судов………………………
1.6 Выводы по разделу, задачи исследования……………………………
2. ОБОСНОВАНИЕ ВНЕШНИХ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ
ХАРАКТЕРИСТИК И ПАРАМЕТРОВ БАЛЛАСТНЫХ ЁМКОСТЕЙ
МОБИЛЬНОГО МАЛОГАБАРИТНОГО ПРИЧАЛА……………………
2.1 Обоснование внешних геометрических характеристик мобильного
причала………………………………………………………………………
2.2 Расчётная вертикальная нагрузка на мобильный малогабаритный
причал………………………………………………………………………
2.3 Обоснование параметров выравнивающей балластной емкости
мобильного причала…………………………………………………………
2.4 Обоснование параметров перестановочной балластной ёмкости
мобильного малогабаритного причала……………………………………
2.5 Выводы по разделу………………………………………………………
3. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИСЛЕДОВАНИЯ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ
МОБИЛЬНОГО МАЛОГАБАРИТНОГО ПРИЧАЛА С ВОДНОЙ
СРЕДОЙ ПРИ ЕГО ПЕРЕМЕЩЕНИЯХ…………………………………
3.1 Предварительные замечания……………………………………………
3.2 Общее гидродинамическое сопротивление равномерному
перемещению мобильного малогабаритного причала, оценка
составляющих сопротивления………………………………………………
3.3 Факторы, определяющие величину гидродинамического
сопротивления перемещению причала. Получение критериальной
зависимости для коэффициента гидродинамического сопротивления…
3.4 Основные выводы по разделу…………………………………………
4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПАРАМЕТРОВ
МОБИЛЬНОГО МАЛОГАБАРИТНОГО ПРИЧАЛА……………………
4.1 Общие сведения по экспериментальным исследованиям……………
4.2 Масштаб моделирования, обеспечение подобия, диапазоны
варьирования определяющих факторов……………………………………
4.3 Модель мобильного причала, опытная проверка результатов,
полученных теоретическим путем при обосновании его геометрических
параметров……………………………………………………………………
4.4 Описание лабораторного оборудования, порядок проведения
экспериментов по буксировке модели причала в опытовом бассейне,
определение экспериментальных значений коэффициентов полного
гидродинамического сопротивления………………………………………
4.5 Экспериментальный план лабораторных исследований по
определению коэффициентов полного гидродинамического
сопротивления равномерному перемещению мобильного причала,
полученные результаты……………………………………………………
4.6 Статистическая обработка данных экспериментов……………………
4.7 Математические модели для коэффициента полного
гидродинамического сопротивления при буксировке мобильного
причала в транспортном положении………………………………………
4.8 Методика экспериментального определения коэффициентов
полного гидродинамического сопротивления для мобильного причала в
условиях открытого потока по принципу обращенного движения………
4.9 Результаты эксперимента по определению коэффициентов общего
гидродинамического сопротивления для мобильного причала с
заполненной выравнивающей емкостью…………………………………
4.10 Математические модели для коэффициента полного
гидродинамического сопротивления при обтекании потоком
мобильного причала со стороны кормовой части при заполненной
выравнивающей емкости……………………………………………………
4.11 Выводы по разделу……………………………………………………
5. РАЗРАБОТКА И МОДЕРНИЗАЦИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ
РЕШЕНИЙ ПО ПРИМЕНЕНИЮ МОБИЛЬНОГО
МАЛОГАБАРИТНОГО ПРИЧАЛА………………………………………
5.1 Предварительные замечания……………………………………………
5.2 Модернизированный вариант погрузки лесоматериалов на баржи с
использованием мобильного причала………………………………………
5.3 Выгрузка лесоматериалов из воды с использованием мобильного
причала………………………………………………………………………
5.4 Погрузка лесоматериалов в плавучие контейнеры с использованием
мобильного причала…………………………………………………………
5.5 Основные выводы по разделу…………………………………………
ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ И РЕКОМЕНДАЦИИ…………… 126
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ……………………….. 128
ПРИЛОЖЕНИЯ……………………………………………………………… 141
Во введении представлена общая характеристика диссертации, аргумен-
тирована актуальность темы, сформулирована цель работы, указаны объект и
предмет исследований, отражены их научная новизна, научная и практическая
значимость, основные положения, выносимые на защиту.
В первом разделе приведено развернутое обоснование следующих поло-
жений. Судовые перевозки – один из наиболее дешевых и экологически предпо-
чтительных вариантов доставки древесного сырья из удаленных лесных масси-
вов, имеющих большие запасы древесины. Значительное увеличение объемов
судовых перевозок лесоматериалов из указанных массивов возможно лишь при
активном задействовании для этой цели густой сети средних и малых рек соот-
ветствующих регионов. Традиционные технологии погрузки лесоматериалов на
суда, используемая техника зачастую неприменимы на средних и особенно на
малых реках, либо их применение экономически нецелесообразно. Проблема по-
грузки лесоматериалов на суда на означенных реках может быть решена при
обеспечении возможности использования для этой цели техники лесозаготови-
телей в совокупности с относительно недорогими мобильными устройствами. В
качестве указанного устройства предлагается использовать мобильный малога-
баритный причал (рис. 1). При заполненных балластных емкостях такой причал
опирается на спланированный береговой откос и передает на него вертикальную
нагрузку (рис. 1). При значительном изменении уровня воды в реке откачивают
воду из перестановочной емкости, причал всплывает, и его переставляют ниже
или выше по береговому откосу. Это отражено на рисунке 2, который демон-
стрирует и соотношение размеров мобильного и стационарного причалов. При
буксировке причала к другому пункту откачивают воду и из выравнивающей
емкости.
Проектирование и эффективная эксплуатация мобильного причала пред-
полагают необходимость научного обоснования его параметров: геометрических
размеров корпуса; формы, положения и размеров балластных емкостей; гидро-
динамических характеристик в транспортном положении и при перестановках в
пункте погрузки лесоматериалов. При аналитическом обзоре работ по гидроди-
намике лесотранспортных единиц и судов убедились, что мобильный причал
существенно отличается от них по гидродинамическим характеристикам. Это
обусловлено существенными отличиями по форме от обычных судов, а от лесо-
транспортных единиц еще и отличиями по материалу, а также местной конфигу-
рации обтекаемой поверхности. Есть у него особенности по условиям эксплуа-
тации, скоростям перемещения. На основе приведенной информации сформули-
рованы задачи исследования.
Рисунок 1. Малогабаритный мобильный причал в рабочем положении:
1 – кормовая аппарель; 2 – швартовое устройство; 3 – ручная лебедка;
4 – выдвижной упор; 5 – выравнивающая балластная емкость;
6 – каркас причала; 7 – настил; 8 – ограждение; 9 – береговой откос;
10 – носовая аппарель; 11 – канат; 12 – труба перестановочной емкости для
закачки-откачки воды; 13 – перестановочная емкость; 14 – труба
выравнивающей емкости для закачки-откачки воды; 15 – упор
Рисунок 2. Схема перестановки мобильного малогабаритного причала при
изменении уровней воды в реке: 1 – контуры стационарного причала при
данной амплитуде колебания уровней; 2 – положение мобильного причала
при низком уровне воды; 3 – положение мобильного причала при высоком
уровне воды
Во втором разделе изложен алгоритм определения геометрических пара-
метров корпуса мобильного причала, с использованием графоаналитического
метода получены зависимости для определения расчётных значений осадки су-
дов, ширины и длины лесопогрузчиков по требуемой их грузоподъёмности.
Высота причала в рабочем положении
=T + Z + Zп.у + Zс.б. ,(1)
где Tс – расчётная осадка судна с грузом или осадка сплоточной единицы, м; Z –
донный запас, м; Zп.у – запас на понижение уровня воды в период погрузки–
разгрузки, м; Zс.б. – минимальная высота сухого борта причала, м.
Для барж рекомендовано выражение
Тс =0,419G + 1,453,(2)
где G – грузоподъёмность судна, тыс. т.
Ширина причала
B = Bпог + 1,5,(3)
где Bпог – расчётная ширина погрузчика, м.
Bпог = 0,375Gпог + 1,75,(4)
где Gпог – расчётная грузоподъёмность погрузчика в диапазоне 2…6 т.
Расчётная длина погрузчика в диапазоне грузоподъемности 2…6 т
Lпог = 1,664lnGпог + 5,09.(5)
Углы между донной и верхней поверхностями причала , между транце-
вой поверхностью и вертикалью рекомендованы соответственно 15о-17о и 15о,
высоту причала в носовой части 0,15Н.
Расчетная длина причала при этом без учета длины аппарели
Lв = (0,85ctgα +tg β).(6)
Она должна быть сопоставлена с результатом вычисления по выражению (5).
Для определения расчётной вертикальной нагрузки на мобильный причал
в кН рекомендовано выражение
Pпог = − 0,202Gпог 2 + 26,72Gпог + 122,1,(7)
для определения удельной металлоемкости в т/м3
уд = 0,021V 2 – 0,115Vк.т + 0,293,(8)
к.т
где Vк.т – объём корпуса, тыс. м3.
Определили геометрические параметры корпуса мобильного причала для
погрузки лесоматериалов на баржи на средних реках Северо-Двинского бассей-
на в период половодья. Высота причала 2,8 м, его длина 9,05 м, ширина 5,0 м,
высота в носовой части 0,42 м. Эти параметры приняты за базовые. Существен-
но меньшие размеры примерно при тех же пропорциях будут иметь причалы для
сброски пучков в воду, тем более малогабаритных пакетов на малых реках.
Разработаны основанные на численных методах алгоритмы определения
параметров балластных ёмкостей причала. Суть алгоритмов, содержащих боль-
шое количество формул, состоит в следующем. Задаётся значение а (рис. 3 а),
начиная с нуля с дальнейшим последовательным прибавлением по циклу по
0,005Н. Все расчёты по циклу повторяются до тех пор, пока абсциссы центра
водоизмещения и общего центра тяжести причала с заполненной выравниваю-
щей ёмкостью не окажутся равными при условии горизонтальности верхней по-
верхности причала. Получили в результате а= 0,160Н.
Нижнюю точку продольного сечения перестановочной ёмкости преду-
смотрели на пересечении вертикали, которая делит длину ватерлинии вы-
ровненного причала пополам, и нижней поверхности причала (рис. 3).
аб
Рисунок 3. Схема к обоснованию параметров балластных ёмкостей: а – общий
вид; б – донная часть перестановочной емкости; 1 – стенка выравнивающей ем-
кости; 2 – левая донная часть перестановочной емкости; 3 – правая донная часть
перестановочной емкости; 4 – правая стенка перестановочной емкости
Алгоритм решения по данной емкости содержит два цикла вычислений,
один вложен в другой. Во внешнем цикле задаётся приращение уровня воды в
перестановочной ёмкости с шагом Δy1=0,05Н (рис. 3 б). Во внутреннем цикле с
шагом lг=0,001Н задаётся горизонтальное смещение Δli+1, следующей искомой
точки профиля левой донной части ёмкости относительно его предыдущей точ-
ки. Расчёты по внутреннему циклу повторяются до тех пор, пока абсциссы цен-
тра водоизмещения и общего центра тяжести не выравниваются. После этого
осуществляется выход во внешний цикл с очередным прибавлением Δy1 и т.д.
Используя установленные точки профиля емкости, в результате аппрокси-
мации для левой донной ее части и правой стенки соответственно получили
1 =0,292 1 2 + 0,203 1 + 0,04,(9)
1 = − 5,937 1 + 9,287.(10)
При каждом приращении уровня определяли метацентрические высоты
для оценки продольной и поперечной остойчивости причала. Убедились в обес-
печении этой остойчивости во всех его положениях.
В третьем разделе выполнено теоретическое обоснование процессов пе-
ремещения мобильного причала в воде. Перемещение мобильных причалов в
условиях средних и малых рек предусмотрено при помощи небольших судов,
которые, как правило, не обладают большой силой тяги, что предполагает необ-
ходимость в достаточно точных данных о величине гидродинамического сопро-
тивления движению причала. К основным расчетным случаям отнесли букси-
ровку причала при пустых балластных емкостях носовой частью вперед и его
перемещение при заполненной выравнивающей емкости кормовой частью впе-
ред. Доказали, что причал относится к плохообтекаемым телам с фиксирован-
ными зонами отрыва пограничного слоя и теоретически обосновали следующие
положения: доля составляющей трения в гидродинамическом сопротивлении
движению причала мала; преобладающим является сопротивление формы; при
предполагаемых скоростях перемещения может быть существенным волновое
сопротивление. При указанном соотношении составляющих гидродинамическо-
го сопротивления для определения его общей величины рекомендована одно-
членная формула Ньютона
= с 2 ρ/2,(11)
где – полное гидродинамическое сопротивление, Н; с – коэффициент полного
гидродинамического сопротивления; Ω –площадь миделя, м2; – скорость пере-
мещения причала относительно воды, м/с; – плотность воды, кг/м3.
Основываясь на положениях гидромеханики, выявили факторы, которые
могут влиять на гидродинамическое сопротивление перемещению мобильного
причала, представив соответствующую зависимость в символьном виде.
R=f(; ; g; υ; Тн; Lп/Тн; B/Тн; ; ; г /Тн),(12)
где μ – динамический коэффициент вязкости, Па∙с; g – характеристика поля гра-
витационных сил, м/с2; Tн, Lп – соответственно начальная осадка, габаритная
длина его подводной части, м; г – глубина воды, м.
Для базового варианта факторы Lп/Тн; B/Тн; ; являются фиксированны-
ми. С целью сокращения количества определяющих факторов и получения кри-
териев подобия привели зависимость (2) к безразмерному виду.
с = ψ (Re; Fr; ),(13)
Tн
где Fr – число Фруда; Re– число Рейнольдса.
Fr =.(14)
√gTн
⋅ ⋅Tн
Re =.(15)
Для плохообтекаемых тел с фиксированными зонами отрыва пограничного
слоя, к которым мы обоснованно отнесли и рассматриваемый причал, зависи-
мость коэффициента с от числа Re незначительна. В итоге символьное решение
привели к виду
с = γ (Fr; ).(16)
Tн
Зависимость (16) в явном виде получили для двух упомянутых расчетных
случаев на основе экспериментальных данных.
В четвертом разделе приведены материалы экспериментальных исследо-
ваний, выполненных с соблюдением физического подобия на модели (рис. 4),
изготовленной в масштабе 1:20 по отношению к базовому варианту. Часть ис-
следований выполнена в опытовом бассейне гравитационного типа лаборатории
САФУ. В результате экспериментальной проверки убедились в правильности
результатов, полученных теоретическим путем при обосновании геометриче-
ских параметров мобильного прича-
ла. В результате заполнения вырав-
нивающей емкости водой убедились,
что модель заняла требуемое положе-
ние, ее верхняя поверхность оказа-
лась горизонтальной. При постепен-
ном заполнении водой перестановоч-
ной емкости модель погружалась, со-
Рисунок 4. Модель мобильного
храняя горизонтальность верхней по-
малогабаритного причала
верхности. При откачке воды из пере-
становочной емкости модель соответственно всплывала, также без дифферента.
Во всех положениях, сохранялась остойчивость модели по крену и по диффе-
ренту.
Для приведения зависимости (16) к явному виду для случая буксировки
причала в транспортном положении эксперименты также проводили в бассейне.
Величины в скобках указанного выражения – определяющие факторы, которые
являются и критериями подобия. Принятый диапазон скоростей буксировки
причала для натурных условий 0,5…1,5 м/с, для модельных – 0,112…0,336 м/с.
Соответствующий диапазон чисел Фруда 0,160…0,480. Относительную глубину
г /Тн варьировали в интервале 1,5…4,0. Опыты в лаборатории, а также в услови-
ях открытого потока выполняли по полным факторным планам второго порядка.
По результатам обработки пробной серии количество дублирований каждого
опыта было принято равным пяти. Общее количество опытов – 90 без учета
пробных серий.
Буксировку модели осуществляли с помощью нитеблочной системы. Мо-
дель крепили к горизонтальной ветви кордовой нити, огибающей блоки букси-
ровочной системы. Скорость равномерного движения модели варьировали, ме-
няя буксировочное усилие, которое обеспечивалось соответствующими массами
вертикально перемещающихся грузов. Фиксация скорости движения модели,
осуществлялась с помощью бесконтактного датчика (рис. 5 а), который разме-
щали у одного из блоков нитеблочной системы, имеющего светоотражающие
метки. Прохождение меток у датчика при вращении блока вызывало генериро-
вание электрических сигналов, которые усиливались и преобразовывались из
аналоговых в цифровые соответствующими приборами (рис. 5 б). Цифровые
сигналы поступали на ЭВМ, где с помощью программы «ZETLab» с выводом
результатов на монитор компьютера. В частности, на монитор выводился график
зависимости частоты поступивших сигналов от времени (рис. 6). По частоте
сигналов вычислялась скорость движения модели. По величине буксировочного
усилия и скорости равномерного движения с использованием формулы (11)
определялось экспериментальное значение коэффициента гидродинамического
сопротивления.
Результаты первичной статистической обработки результатов опытов по-
казали достаточно высокую точность проведённых измерений. Расчетное значе-
ние критерия Кохрена получили 0,21, табличное 0,36. Это позволило принять
гипотезу об однородности дисперсий опытов.
Выполнив регрессионный анализ с помощью программы «IBM SPSS Sta-
tistics», получили модель для коэффициента гидродинамического сопротивления
при буксировке причала в транспортном положении
= 1,213 − 0,466 г / н + 0,559 + 0,058( г / н )2 + 0,032 2 − 0,077 г /
/ н .(17)
Достоверность аппроксимации этого уравнения регрессии R =0,93. 2
аб
Рисунок 5. Элементы регистрирующего оборудования: а – бесконтактный датчик
у блока со светоотражающими метками; б – преобразователь и усилитель сигна-
ла
Использование полученного
уравнения совместно с (11) дает
возможность вычислять гидроди-
намическое сопротивление при
указанной буксировке.
В разделе выполнен деталь-
ный анализ влияния определяю-
Рисунок 6. График изменения частотыщих факторов на выходную ве-
сигналов по времениличину. Наглядно это влияние
демонстрируют графики, приве-
денные на рисунке 7. В данном случае наиболее сильно влияет на коэффициент
с относительная глубина. Ее уменьшение от 4,0 до 1,5 вызывает увеличение ко-
эффициента сопротивления на 110…120%. Увеличение числа Фруда и соответ-
ственно скорости движения причала в пределах исследованных диапазонов вы-
зывает возрастание коэффициента сопротивления на 20…25%.
В разделе описана методика экспериментального определения в условиях
открытого потока по принципу обращенного движения коэффициентов гидро-
динамического сопротивления для мобильного причала с заполненной выравни-
вающей емкостью при обтекании его со стороны кормовой части. Опыты прово-
дили с неподвижной моделью при установившемся обтекании ее потоком. Изго-
товленная экспериментальная установка (рис. 8) была смонтирована в русле не-
большой реки, находящейся в зоне действия морских приливов. Это обеспечи-
вало изменение скорости потока в требуемом диапазоне.
0,900
Коэффициент сопротивления c
0,800
0,700
0,600
0,500
0,400
0,300
11,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5
Относительная глубина Нг/Тн
Fr=0,16Fr=0,32Fr=0,48
аб
Рисунок 7. Зависимости коэффициента с при буксировке причала в транспорт-
ном положении: а – от относительной глубины; б – от числа Фруда
аб
Рисунок 8. Экспериментальная установка в русле реки: а – схема; б – поперечная
балка с консолями, направляющими блоками и весами; 1 – свайка
металлическая; 2 – щит; 3 – модель причала; 4 – кордовая нить; 5 – гибкая связь;
6 – консоль горизонтальная; 7 – блок направляющий;8 – груз; 9 – весы
электронные; 10 – консоль наклонная; 11 – балка поперечная
Под верхним направляющим блоком размещали электронные весы с точ-
ностью измерения 0,01 г, на которых находился небольшой груз. К грузу присо-
единяли один конец кордовой нити. Нить пропускали через направляющие бло-
ки. Ко второму ее концу крепили модель причала. Усилие, действующее на мо-
дель от набегающего потока, определяли по разности показаний электронных
весов при отсутствии натяжения нити и при его наличии. Скорость потока в ме-
сте размещения модели определяли при помощи гидрометрической вертушки
ГР-21. Для исследования влияния на гидродинамическое сопротивление близо-
сти дна использовали горизонтальный щит размером 3,75х2,5 м. Его подвешива-
ли на гибких связях, зафиксированных у верхних концов шести сваек. Необхо-
димое расстояние между поверхностью воды и щитом устанавливали, изменяя
длину гибких связей. Экспериментальные значения коэффициента гидродина-
мического сопротивления и здесь находили по формуле (11), но подставляя в нее
вместо скорости модели скорость потока.
Маневрирование с причалом при перестановке в пункте перевалки грузов
предполагается с меньшими скоростями и на малых глубинах. С учетом этого
при принятом диапазоне натурных скоростей 0,45–0,85 м/с диапазон модельных
– 0,100…0,190 м/с. Диапазон варьирования числа Фруда при этом 0,090…0,150.
Относительную глубину в данном случае варьировали в диапазоне 1,33–2,00.
Первичную статистическую обработку экспериментальных данных и ре-
грессионный анализ выполняли по аналогии с ранее рассмотренным случаем.
Результаты и здесь свидетельствуют о достаточной точности измерений. Про-
верка по G–критерию Кохрена позволила сделать вывод о возможности приня-
тия гипотезы об однородности дисперсий. Полученное уравнение регрессии
имеет вид
HH 2H
св = 0,712 – 0,741 + 6,36Fr + 0,175 ( ) – 8,758Fr2 – 0,408 Fr. (18)
TTT
Достоверность аппроксимации модели (18) R2=0,82.
Помимо обеспечения возможности определения гидродинамического со-
противления в рассматриваемом случае модель (18) позволила выполнить де-
тальный анализ влияния числа Фруда и относительной глубины на выходную
величину. Наглядно это влияние демонстрируют графики на рис. 9.
0,750
Коэффициент сопротивления c
0,700
0,650
0,600
0,550
0,500
0,450
0,400
0,350
1,30 1,40 1,50 1,60 1,70 1,80 1,90 2,00
Относительная глубина Нг/Тн
Fr=0,09Fr=0,12Fr=0,15
аб
Рисунок 9. Зависимости коэффициента с при перемещении причала с заполнен-
ной перестановочной емкостью: а – от относительной глубины; б – от числа
Фруда
В данном случае несколько больше влияние числа Фруда. С его увеличе-
нием в диапазоне 0,090…0,150 исследуемый коэффициент возрастает на
46…58% в зависимости от относительной глубины. С уменьшением относитель-
ной глубины от 2,00 до 1,33 выходная величина увеличивается на 26…36% в за-
висимости от числа Фруда. Взаимодействие факторов относительно невелико.
В пятом разделе приведены сведения по новым технологическим реше-
ниям с использованием мобильных причалов. Предложена технологическая схе-
мы погрузки лесоматериалов на баржи (рис. 10), в которой предусмотрено ис-
пользование помимо мобильного причала и погрузчиков лесозаготовителей мо-
бильной лебедки, приданной причалу, и наплавного анкера. Наличие анкера
позволяет обеспечить быструю установку баржи под погрузку и выведение ее из
зоны погрузки. Лебедка, особенно радиоуправляемая, дает возможность легко
перемещать баржу во время погрузки относительно причала, причем в двух
направлениях. При схеме погрузки штабель-судно целесообразно использовать
два погрузчика, один из которых находится на причале, второй подвозит к нему
пачки лесоматериалов. Аналогично, но в иной последовательности может осу-
ществляться разгрузка барж у потребителей.
Рисунок 10. Модернизированный вариант погрузки лесоматериалов на баржу с
использованием мобильного причала: 1 – урез воды; 2 – баржа; 3 – штабеля
лесоматериалов; 4 – швартовое устройство; 5 – лебедка; 6 – канат стальной;
7 – замок для дистанционной отдачи; 8 – скоба такелажная; 9 – шеймы якорей;
10 – анкер; 11 – канат анкера; 12 – крепление причала; 13 – погрузчик
вспомогательный; 14 – пачка лесоматериалов; 15 – погрузчик поворотный;
16 – мобильный причал
Разработана технологическая схема выгрузки лесоматериалов из воды в
сплоточных единицах в пункте приплава с использованием мобильного причала
(рис. 11), рекомендуемая в первую очередь для перерабатывающих предприя-
тий, применяющих на складах сырья современные лесопогрузчики многоцеле-
вого назначения и принимающих относительно небольшие объемы древесного
сырья в плотах. Данная схема разработана с учётом необходимости изменения
положения направляющих бонов при перестановках мобильного причала, свя-
занных с существенным изменением уровней воды.
Рисунок 11. Технологическая схема выгрузки круглых лесоматериалов из
воды лесопогрузчиком с использованием мобильного причала:
1– секция плота; 2 – якорь; 3 – наплавная опорная плитка; 4 – гибкая связь;
5 – бон–консоль; 6 – сплоточная единица; 7 – лесопогрузчик; 8 – мобильный
причал; 9 – береговая опора; 10 – направляющий бон; 11 – свайный куст;
12 – урез воды
Разработана технология погрузки лесоматериалов с использованием мо-
бильного причала и техники лесозаготовителей в жесткие плавучие контейнеры
(рис. 12), применение которых позволит существенно увеличить объемы судо-
вых перевозок на небольших реках. При погрузке линейку пустых контейнеров
крепят с помощью каната, огибающего блок на пакетном боне, расположенном
выше по течению. Второй конец каната фиксируют на кнехте причала. В про-
цессе погрузки периодически подтравливают канат, линейка смещается вниз по
течению. После того, как вся линейка будет нагружена, её с помощью погрузчи-
ка переводят к нижнему по течению борту причала. Вторая нагруженная линей-
ка может быть установлена рядом с первой. По аналогичной технологии может
осуществляться разгрузка контейнеров на рейде приплава у потребителя.
Рисунок 12. Схема погрузки круглых лесоматериалов в жёсткие плавучие кон-
тейнеры с помощью мобильного причала: 1 – загруженная линейка; 2 – канат
крепежный; 3 – загружаемый контейнер; 4 – линейка пустых контейнеров;
5 – канат; 6 – блок; 7 – пакетный бон; 8 – борткомплект; 9 – крепление
пакетного бона; 10 – урез воды; 11 – крепление мобильного причала;
12 – кнехт; 13 – погрузчик с манипулятором; 14 – вспомогательный погрузчик;
15 – штабеля лесоматериалов; 16 – пачка лесоматериалов
ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ И РЕКОМЕНДАЦИИ
Выводы
1. Геометрические и прочностные параметры корпуса мобильного причала
определяются основным его назначением и в зависимости от него осадкой с гру-
зом обслуживаемых судов, либо сбрасываемых или выгружаемых сплоточных
единиц, а также шириной и длинной лесопогрузчиков требуемой грузоподъём-
ности, их массой, крутизной естественных береговых откосов, возможностями
техники по их преодолению. Получены зависимости для определения расчётных
значений осадки судов, вертикальной нагрузки на причал, ширины и длинны по-
грузчиков по требуемой их грузоподъёмности. Разработаны рекомендации по
определению формы и размеров корпуса мобильного причала.
2. Разработаны основанные на численных методах алгоритмы определения
параметров выравнивающей и перестановочной балластных ёмкостей мобильно-
го причала. Выполнив анализ зависимостей продольной и поперечной остойчи-
вости мобильного причала от его осадки, убедились в обеспечении этой остой-
чивости во всех его положениях. Экспериментальная проверка на модели под-
твердила правильность теоретических выкладок.
3. Разработана методика экспериментального определения коэффициентов
гидродинамического сопротивления в условиях открытого потока по принципу
обращённого движения для модели мобильного причала.
4. По результатам экспериментов получены математические модели для
коэффициентов общего гидродинамического сопротивления перемещению мо-
бильного причала в транспортном положении, а также с заполнений выравнива-
ющей ёмкостью при перестановках в пункте перевалки лесоматериалов. Исполь-
зование указанных моделей совместно с формулой Ньютона обеспечивает воз-
можность определения величин гидродинамического сопротивления перемеще-
нию причала в означенных случаях. Установлены степень и характер влияния
относительной глубины, а также величины числа Фруда, соответственно и ско-
рости перемещения причала, на исследуемые коэффициенты сопротивления.
5. Разработаны новые и усовершенствованы существующие технологиче-
ские решения по погрузке лесоматериалов на суда, в жёсткие плавучие контей-
неры в пунктах отправления, а также по выгрузке сплоточных единиц из воды
пунктах приплава с использованием мобильного причала.
Рекомендации
1. Организациям, имеющим интерес к снижению затрат на перевалку ле-
соматериалов и их транспортировку посредствам активизации использования
водных путей, рекомендуются к внедрению технологические решения с приме-
нением мобильного причала, предлагаемые в диссертации.
2. Предприятиям, подразделениям, осуществляющим деятельность по про-
ектированию техники для водного транспорта лесоматериалов, планированию
мероприятий по его организации, помимо указанных технологических решений
предлагается использовать материалы диссертации по обоснованию формы и
размеров корпуса мобильного причала, параметров его балластных ёмкостей,
расчётных вертикальных нагрузок, а также математические модели для опреде-
ления гидродинамических параметров причала, результаты анализа этих моде-
лей.
Перспективы дальнейшей разработки темы могут быть связанны с
обоснованием параметров модифицированных конструкций причала, в частно-
сти мобильного причала для необустроенных берегов, причала-трапа.
Актуальность темы исследований. Одним из наименее затратных
вариантов доставки древесного сырья потребителям являются судовые
перевозки. Их объемы можно существенно увеличить, более активно
используя для этих целей средние реки, количество которых в несколько раз
превышает количество крупных. Однако навигация на большинстве средних
рек продолжается в течение относительно короткого весенне-летнего
поводья. Поэтому строительство довольно дорогих стационарных причалов
на них с соответствующим оборудованием в пунктах отправки грузов, как
правило, нецелесообразно. Обычно в таких пунктах на погрузке используют
плавкраны, которые также имеют высокую стоимость. В период половодья
спрос на плавкраны существенно возрастает, а после завершения этого
короткого периода – падает, что не стимулирует увеличение их количества.
Кроме того проводка плавкранов по средним рекам зачастую невозможна,
например, из-за наличия низких мостов, переходов электросетей и т. д. При
больших расстояниях их доставки и относительно небольших объемах работ
применение плавкранов может быть экономически неоправданным. Эти
обстоятельства сдерживают увеличение судовых перевозок по средним
рекам.
Проблема может быть решена посредством использования при
погрузке лесоматериалов на суда малогабаритных мобильных причалов. При
заполненных балластных емкостях такой причал опирается на
спланированный береговой откос и передает на него вертикальную нагрузку.
При откачке воды из балластных емкостей причал всплывает и легко может
быть переставлен ниже или выше по береговому откосу в случае
существенного изменения уровня воды в реке, а также отбуксирован к
другому пункту перевалки грузов. Конструктивные особенности причала
обуславливают его небольшие размеры и соответственно небольшую
стоимость при высоких допустимых нагрузках. Особо важно то, что
использование мобильного причала позволяет осуществлять погрузку
лесоматериалов на суда техникой лесозаготовителей, обходясь без
плавкранов. Такие причалы, но меньшего размера, могут быть использованы
и на малых реках для сброски в воду сплоточных единиц. Этим область
применения мобильных причалов не ограничивается.
Проектирование и эффективная эксплуатация мобильных причалов
предполагают обоснование их геометрических и гидродинамических
параметров.
Степень разработанности проблемы. Мобильный причал
предназначается в первую очередь для перевалки лесоматериалов на
средних, а также на малых реках. Предполагается, что его использование
будет способствовать решению проблемы доставки древесного сырья из
удаленных лесных массивов посредством более активной лесотранспортной
эксплуатации водных путей лесных регионов. Этой актуальной проблемой
занимались Д.Н. Афоничев [1, 2], П.Ф. Войтко [3–6], А.Ю. Жук [7–9], А.А.
Камусин [10], С.П. Карпачев [11–14], В.П. Корпачев [15–18], А.Ю.
Мануковский [19, 20], А.Н. Минаев и М.М. Овчинников [21, 22, 23], А.А.
Митрофанов [24, 25], В.И. Патякин [26, 27], С.В. Посыпанов [28, 29], Г.Я.
Суров [30–32], В.Я. Харитонов [33–35] и другие. Однако по вопросу
перевалки лесоматериалов наибольший интерес для автора представляют
работы В.Я. Харитонова и С.В. Посыпанова [36, 37, 38, 39]. Ими была
предложена идея мобильного причала, выполнена эскизная разработка его
конструкции, предложен ряд технологических схем с использованием
мобильного причала. Научных исследований по обоснованию параметров
мобильного причала они не проводили.
Исследованиями гидродинамических характеристик различных
объектов занимались многие ученые. Большинство из перечисленных выше
исследователей имеют, в частности, работы по гидродинамическим
характеристикам различных лесотранспортных единиц. Работы, содержащие
информацию по гидродинамическим характеристикам судов, еще более
многочисленны. К их числу, в частности, относятся труды Я.И. Войткунского
[40, 41], А.Н. Минаева [42] и зарубежных авторов, таких как С. Kleinstreuer
[43], L. Larsson., F. Stern., M. Visonneau [44] и многих других.
Мобильный причал и от лесотранспортных единиц, и от судов имеет
значительные отличия, предполагающие разницу и в гидродинамических
параметрах. От судов он отличается своеобразной формой корпуса, от
лесотранспортных единиц еще и по материалу, местной конфигурации
поверхности. Есть у него особенности по условиям эксплуатации, скоростям
перемещения. Работ по научному обоснованию геометрических параметров
корпусов и балластных емкостей подобных причалов не обнаружено. На
основании изложенного сделан вывод о необходимости данного
диссертационного исследования.
Цель работы: обоснование параметров мобильного малогабаритного
причала, обуславливающего расширение возможностей транспортировки
лесных грузов по водным путям.
Объект исследования: мобильный малогабаритный причал для
перевалки лесоматериалов.
Предмет исследования: геометрические и гидродинамические
параметры мобильного малогабаритного причал для перевалки
лесоматериалов.
Методы исследования. В диссертации выполнен анализ имеющейся
информации по вопросам судовых перевозок лесоматериалов, перевалки
лесных грузов. При обоснование геометрических параметров корпуса
причала и его балластных ёмкостей использованы методы математического
моделирования и численного решения с экспериментальной проверкой
полученных результатов. При обосновании гидродинамических параметров
причала опирались на научные положения гидромеханики, использовали
теорию планирования эксперимента, методы статистической обработки
данных.
Научная новизна диссертационной работы обусловлена следующим:
– впервые получены математические зависимости для вычисления
расчётных значений факторов, влияющих на геометрические и прочностные
параметры корпуса мобильного причала, а также разработаны рекомендации
по применению этих зависимостей, установлению формы и размеров
означенного корпуса;
– впервые разработаны основанные на численных методах алгоритмы
определения формы, положения, а также размеров балластных ёмкостей
мобильного причала;
– впервые получены регрессионные модели для коэффициентов общего
гидродинамического сопротивления движению мобильного причала в
транспортном положении и при перестановках его с заполненной
выравнивающей ёмкостью;
– впервые получены сведенья о степени и характере и влияния
определяющих факторов на гидродинамическое сопротивление движению
мобильного причала при его буксировке в транспортном положении и при
перестановках с заполненной выравнивающей ёмкостью;
– разработаны новые технологические решения по перевалке
лесоматериалов с применением мобильного причала.
Теоретическая и практическая значимость работы. Разработанные
автором алгоритмы, математические зависимости, рекомендации по
определению формы, размеров корпуса мобильного причала и параметров
его балластных ёмкостей, а также регрессионные модели, обеспечивающие
определение гидродинамических параметров причала, сведенья о влиянии на
них основных факторов вносят существенный вклад в рассматриваемую
область научных знаний. Возможность применения перечисленных
разработок в инженерной деятельности при проектировании мобильных
причалов и планировании мероприятий с их использованием, а также
предложенные технологические решения обуславливает практическую
значимость диссертации.
Основные научные положения и результаты исследования,
выносимые на защиту.
1. Математические зависимости для вычисления расчётных величин
факторов, влияющих на геометрические и прочностные параметры корпуса
мобильного причала; рекомендации по применению этих зависимостей,
определению формы и размеров означенного корпуса.
2. Основанные на численных методах алгоритмы определения формы,
положения и размеров выравнивающей и перестановочной балластных
ёмкостей мобильного причала.
3. Эмпирические математические модели для коэффициентов общего
гидродинамического сопротивления движению мобильного причала,
позволяющие определять расчётным путём величины этого сопротивления
при буксировке этого причала в транспортном положении и при
перестановках его с заполненной выравнивающей ёмкостью.
4. Результаты анализа влияния основных определяющих факторов на
величины гидродинамического сопротивления движению мобильного
причала при его буксировке в транспортном положении и перестановках с
заполненной выравнивающей ёмкостью.
5. Технологические решения по перевалке лесоматериалов с
применением мобильного причала.
Обоснованность и достоверность результатов исследования
обусловлены методологией его проведения, соответствием теоретических
положений и результатов экспериментов, публикациями в рецензируемых
изданиях, апробацией на конференциях.
Соответствие диссертационной работы паспорту научной
специальности. Содержание работы соответствует паспорту научной
специальности 05.21.01 – Технология и машины лесозаготовок и лесного
хозяйства по пункту 4 – «Исследование условий функционирования машин и
оборудования, агрегатов, рабочих органов, средств управления».
Апробация работы. Материалы диссертации апробированы в ходе
Всероссийской научно-практической конференции «Современные машины,
оборудование и IT–решения лесопромышленного комплекса: теория и
практика» (Воронеж, 2021); Международного научного форума «Наука и
инновации – современные концепции» (Москва, 2021); Международной
научно-практической конференции «Актуальные направления
фундаментальных и прикладных исследований» (Morrisville, 2021).
Публикации. По материалам диссертационной работы автором
опубликовано 9 научных статей, 2 из них в журналах входящих в перечень
ВАК.
Личный вклад автора. Основная часть диссертационного
исследования выполнена автором диссертации самостоятельно с обращением
за консультациями к научному руководителю. С помощью руководителя
определены цель, задачи и программа исследования. Технологические
решения, приведённые в пятом разделе, получены при активном участии
соискателя в сотрудничестве с коллегами. Личный вклад автора диссертации
в описанные разработки и в опубликованные в соавторстве статьи около
80%.
Реализация результатов диссертационной работы. Материалы
диссертации использованы в ходе технико–экономического обоснования
транспортно-технологической схемы доставки лесоматериалов из
отдалённых труднодоступных территорий кластера «ПоморИнноваЛес». И
рисунок 2.8.
Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения,
пяти разделов, основных выводов по работе и рекомендаций, списка
литературных источников и приложений. Объём диссертации 150 страниц, из
них 10 – приложения. В тексте содержится 7 таблиц и 46 рисунков. В списке
литературных источников 109 наименований.
Помогаем с подготовкой сопроводительных документов
Хочешь уникальную работу?
Больше 3 000 экспертов уже готовы начать работу над твоим проектом!