Исследование коэффициента полнодревесности усовершенствованной плоской сплоточной единицы

Автор: Васильев В.В., Афоничев Д.Н.

Журнал: Resources and Technology @rt-petrsu

Рубрика: Полная статья

Статья в выпуске: 1 т.22, 2025 года.

Бесплатный доступ

Выполнение сплава лесоматериалов по транспортно-технологическим схемам, функционирующим на базе плоских сплоточных единиц, требует совершенствования конструкций сплоточных единиц и определения их основных транспортно-эксплуатационных показателей. Разработана конструкция плоской сплоточной единицы, отличительной особенностью которой является укладка рядов круглых лесоматериалов перпендикулярно друг другу с обязательным соединением между собой крайних круглых лесоматериалов первого (нижнего) и третьего рядов, а также второго и четвёртого рядов с помощью скоб. При расчёте основных транспортно-эксплуатационных показателей усовершенствованной плоской сплоточной единицы, а именно её осадки в конкретный период времени и содержания фактического объёма древесины в ней, требуется установление коэффициента полнодревесности. Установление коэффициента полнодревесности плоской сплоточной единицы для различного диаметра круглых лесоматериалов в верхнем отрезе, из которых собираются ряды сплоточной единицы, осуществлялось экспериментальным путём. Все экспериментальные работы проводились согласно матрице планирования опытов, которая была построена по функциональной схеме проведения эксперимента, учитывающей качественные и количественные факторы, влияющие на эксперимент. При этом использовались модели плоской сплоточной единицы, а все данные, полученные для модели, переводились пропорционально для плоской сплоточной единицы натуральных размеров. В результате проведённых экспериментальных исследований и полученных расчётных данных был построен график зависимости коэффициента полнодревесности сплоточной единицы от диаметра круглых лесоматериалов в верхнем отрезе. На основании полученного графика было установлено, что при увеличении диаметра круглых лесоматериалов в верхнем отрезе, из которых собираются ряды сплоточной единицы, коэффициент полнодревесности увеличивается. Причём наиболее интенсивное возрастание коэффициента полнодревесности плоской сплоточной единицы наблюдается при изменении диаметра круглых лесоматериалов в верхнем отрезе - от 10,0 до 30,0 см. Использование полученных экспериментальных и расчётных данных коэффициента полнодревесности позволит максимально точно определить требуемые транспортно-эксплуатационные показатели усовершенствованной плоской сплоточной единицы, что обеспечит эффективное выполнение транспортных работ на первоначальном и магистральном сплаве лесоматериалов.

Еще

Круглые лесоматериалы, плоская сплоточная единица, объём, коэффициент полнодревесности

Короткий адрес: https://sciup.org/147247775

IDR: 147247775   |   DOI: 10.15393/j2.art.2025.7503

Текст научной статьи Исследование коэффициента полнодревесности усовершенствованной плоской сплоточной единицы

Транспортировка лесоматериалов от мест заготовки до перерабатывающих предприятий может осуществляться двумя видами транспорта [1—14]: сухопутным и водным. Сухопутный транспорт возможен в местах с наличием автомобильных дорог и железнодорожных путей [8], [10], [11]. В свою очередь, водный транспорт имеет своё непосредственное преимущество в местах с плохо развитой сетью автомобильных дорог и железнодорожных путей [1—7], [9], [12—14], где в качестве единственного транспортного пути могут использоваться различные водные объекты.

Проблема поставки лесоматериалов из труднодоступных мест в условиях отсутствия сети автомобильных дорог и железнодорожных путей требует совершенствования систем водного транспорта древесины, особенно по малым и средним рекам, где ранее проводился молевой сплав. Для этого разработаны специализированные транспортно-технологические схемы, функционирующие на базе плоских сплоточных единиц [4], [7]. Основной особенностью данных транспортно-технологических схем является то, что они позволяют осуществлять бесперевалочную транспортировку лесоматериалов от берегового склада до рейда приплава или лесосырьевой биржи.

Для реализации транспортно-технологических схем, функционирующих на базе плоских сплоточных единиц, предложена плоская сплоточная единица [15], [16]. Практическое применение усовершенствованной плоской сплоточной единицы при сплаве её самосплавом или в составе плота требует проведения расчёта её транспортно-эксплуатационных показателей. Данные показатели включают определение габаритных размеров, объёма содержания древесины, коэффициента полнодревесности, коэффициента запаса плавучести, осадки, волноустойчивости, жёсткости, прочности и расхода сплоточного такелажа.

Коэффициент полнодревесности плоской сплоточной единицы является одним из важных показателей, который имеет своё влияние на определение объёма содержания древесины в сплоточной единице и её фактической осадки на конкретный период времени. При этом точность расчёта осадки плоской сплоточной единицы на конкретный период времени является залогом безаварийной транспортировки древесины по малым и средним рекам, а точность определения объёма содержания древесины в сплоточной единице позволит спрогнозировать максимальный объём поставки лесоматериалов потребителям. Таким образом, для обеспечения безаварийной транспортировки плоской сплоточной единицы по рекам с лимитирующими габаритами сплавного хода и правильного учёта объёма транспортируемых лесоматериалов в плоских сплоточных единицах и плотах на их основе требуется определение их коэффициента полнодревесности.

Цель исследования — установить экспериментальным путём коэффициент полнодревесности плоской сплоточной единицы в зависимости от диаметра круглых лесоматериалов в верхнем отрезе, из которых собираются ряды сплоточной единицы.

2.    Материалы и методы

Усовершенствованная конструкция плоской сплоточной единицы (патент на полезную модель РФ № 210485) [16], которая была подвергнута дополнительной модернизации [15], является объектом исследования.

С учётом основных рекомендаций по планированию эксперимента в технологических исследованиях [17—27] построена схема проведения эксперимента, которая представлена на рисунке 1. В соответствии с изображённой на рисунке 1 схемой присутствуют: один качественный фактор — плоская сплоточная единица ( z 1 ) и количественные факторы — диаметры круглых лесоматериалов в верхнем отрезе, из которых собираются ряды плоской сплоточной единицы, они изменяются от d 1 нт до dnнт . Откликом является коэффициент полнодревесности плоской сплоточной единицы KnППСЕ ( yn ).

Рисунок 1. Функциональная схема проведения эксперимента [рисунок авторов]

  • Figure 1. Functional scheme of the experiment

На основе принятой схемы проведения эксперимента осуществлялось построение матрицы планирования опытов при условии соблюдения ряда рекомендаций. Во-первых, для количественных факторов, являющихся диаметрами круглых лесоматериалов в верхнем отрезе, устанавливается изменение от 10,0 до 70,0 см, с шагом 10,0 см. Данные диаметры будут считаться нулевыми уровнями. Во-вторых, при изготовлении плоской сплоточной единицы диаметр в верхнем отрезе круглых лесоматериалов должен обязательно соответствовать нулевому уровню. При изготовлении плоской сплоточной единицы не принимается во внимание порода древесины, из которой будут заготавливаться круглые лесоматериалы, при этом средняя сбежистость данных круглых лесоматериалов должна удовлетворять условию не более 1,0 см на 1,0 м, где кривизна лесоматериалов обязана иметь минимально возможный процентный показатель. Таким образом, для данного качественного фактора будут выполняться семь опытов. При учёте этих рекомендаций была проработана матрица планирования опытов, которая представлена в таблице 1.

Таблица 1. Матрица планирования опытов

Table 1. Experiment planning matrix

Факторы

x 1

x 2

x 3

x 4

x 5

x 6

x 7

d 1 нт

d 2 нт

d 3 нт

d 4 нт

5 нт

d 6 нт

d 7 нт

Нулевой уровень

10

20

30

40

50

60

70

Опыт 1

+

+

+

+

+

+

+

При реализации всех опытов предусматривается обязательное изготовление семи плоских сплоточных единиц натуральной величины. Это также влечёт заготовку круглых лесоматериалов, где сложность заключается в заготовке лесоматериалов, например, с диаметром 70,0 см. Приведённые факторы несут в себе значительную потребность материальных и трудовых ресурсов, а также большие затраты времени. Следовательно, для снижения затрат на проведение данного эксперимента и увеличения скорости реализации каждого опыта необходимо переходить на работу с моделями плоской сплоточной единицы. При данных обстоятельствах принимаем масштаб для каждого количественного фактора 1 : 10. Приведённый масштаб считается оптимальным [1], [3], [9], а получаемые экспериментальные данные будут являться объективными и достоверными для дальнейшего использования в расчётах.

Например, для третьего количественного фактора в соответствии с принятым масштабом устанавливаем длину первого и третьего рядов 60,0 см, а ширину модели 40,0 см. На основании установленной длины заготовок круглых лесоматериалов определяем количество данных лесоматериалов в каждом ряду. Так, в первом и третьем рядах, с учётом сбежистости заготовок круглых лесоматериалов, лесоматериалы уложатся по 12 шт., т. к. 40 ^ 3,3 = 12,12 » 12 шт. В свою очередь, во второй и четвёртый ряды, с учётом сбежистости заготовок круглых лесоматериалов, их нужно укладывать по 18 шт. из расчёта, что 60 ^ 3,3 = 18,18 » 18 шт., а их длина будет 39,6 см. При этом в качестве гибких связей применяется вязальная проволока диаметром 0,4 см. После заготовки нужных круглых лесоматериалов на специальной установке, показанной на фото 1, выполняется сборка сплоточной единицы [15], [16]. При этом в плоской сплоточной единице в качестве скоб используются деревянные рейки, которые соединяются с крайними круглыми лесоматериалами с помощью гвоздей. В полученной модели плоской сплоточной единицы производили измерения средней длины LМПСЕ , ширины ВМПСЕ и высоты НМПСЕ . Затем определяли фактический объём древесины в сплоточной единице VДМПСЕ . Используя данные габаритных размеров модели плоской сплоточной единицы и расчётного объёма древесины, в ней рассчитывали коэффициент полнодревесности следующим образом:

K 3 ППСЕ

V .

ДМПСЕ

Г R И

L МПСЕ В МПСЕ H МПСЕ

Фото 1. Общий вид установки для экспериментальных исследований: 1 — основание; 2 — вертикальные стойки; 3 — горизонтальные упоры; 4 — горизонтальные верхние перекладины; 5 — продольные регулировочные шпильки; 6 — поперечные регулировочные шпильки; 7 — вертикальные упоры; 8 — цепи [фото авторов]

Photo 1. General view of the setup for experimental studies: 1 — base; 2 — vertical racks; 3 — horizontal stops; 4 — horizontal upper crossbars; 5 — longitudinal adjusting studs; 6 — transverse adjusting studs; 7 — vertical stops; 8 — chains

При осуществлении экспериментального исследования по установлению коэффициента полнодревесности усовершенствованной плоской сплоточной единицы требуются выполнение ряда работ по измерению параметров выпиливаемых круглых лесоматериалов, габаритных размеров изготовленных моделей плоской сплоточной единицы, а также расчёт объёма древесины в них. Длина выпиливаемых заготовок круглых лесоматериалов и габаритные размеры моделей измерялись рулеткой измерительной металлической (ГОСТ 7502-98). Диаметры заготовок круглых лесоматериалов замерялись штангенциркулем (ГОСТ 166-89). Заготовки круглых лесоматериалов выпиливали ручной пилой (ГОСТ 26215-84). При расчёте объёма древесины в каждой модели использовались таблицы объёмов круглых лесоматериалов [28], которые составлены для определения объёма лесоматериалов по принципу усечённого конуса.

3.    Результаты

Выполнение опыта, например для третьего количественного фактора, требовало использование заготовок круглых лесоматериалов в количестве 24 шт. длиной 60 см и в количестве 38 шт. длиной 39,6 см. Из имеющихся заготовок круглых лесоматериалов собиралась модель плоской сплоточной единицы (фото 2), которая имела среднюю длину 0,6 м, среднюю ширину 0,396 м и высоту 0,14 м. В данной модели фактический объём древесины определялся по таблицам объёмов круглых лесоматериалов [28]. Таким образом, объём древесины в модели плоской сплоточной единицы составил:

V дмпcЕ = V д 1,3 ряд + V д 2,4 ряд = 0,012336 + 0,012112 = 0,024448 м 3.

В данном расчёте VД 1,3 ряд — это объём древесины в первом и третьем рядах, м3; VД 2,4 ряд — объём древесины во втором и четвёртом рядах, м3.

Фото 2. Физическая модель плоской сплоточной единицы [фото авторов]

Photo 2. A physical model of a flat-flow unit

На основании измеренных габаритов модели плоской сплоточной единицы и расчётного фактического объёма древесины в ней по формуле (1) рассчитывался коэффициент полнодревесности модели сплоточной единицы:

K 3 ППСЕ

ДМПСЕ

L МПСЕ В МПСЕ H МПСЕ

0,0244

0,6 X 0,396 X 0,14

0, 0244

0, 0333

= 0,73273 « 0,73.

Полученный коэффициент полнодревесности модели усовершенствованной плоской сплоточной единицы заносили в таблицу 2.

Имеющиеся в наличии экспериментальные и расчётные данные для модели плоской сплоточной единицы, изготавливаемой из круглых лесоматериалов с диаметром в верхнем отрезе 3,0 см, дают возможность произвести расчёт коэффициента полнодревесности плоской сплоточной единицы с диаметром круглых лесоматериалов в верхнем отрезе 30,0 см. Расчёт коэффициента полнодревесности плоской сплоточной единицы выполнялся с учётом полученных данных для её модели, которые были изменены согласно масштабу. Таким образом, с учётом зависимости (1) коэффициент полнодревесности плоской сплоточной единицы натуральных размеров составил:

K 3 ППСЕ =

ДПСЕ

L ПСЕ В ПСЕ H ПСЕ

24, 448

6,0 X 3,96 X 1,4

24, 448

33, 264

= 0,7349 « 0,73.

Все вышеприведённые экспериментальные и расчётные данные для модели плоской сплоточной единицы и для плоской сплоточной единицы натуральных размеров были занесены в таблицу 2.

Таблица 2. Результаты экспериментального исследования

Table 2. Results of the experimental study

Установленный диаметр, см

1,0

10

2,0

20

3,0

30

4,0 40

5,0 50

6,0 60

7,0 70

Количество лесоматериалов в рядах, шт.

160

86

60

46

38

30

26

Количество круглых лесоматериалов в первом и третьем рядах, шт.

60

34

24

18

16

12

10

Количество круглых лесоматериалов во втором и четвёртом рядах, шт.

100

54

38

28

22

18

16

Геометрический объём плоской сплоточной единицы, м3

0, 0140 14,040

0,0235

0,0333

0,0418

0, 0560

0,0590

0, 0657

23, 460

33, 264

41,796

55,968

58,968

65, 70

Объём древесины в плоской сплоточной единице, м3

0,0093

0,0165

0, 0244

0,0307

0, 0410

0,0430

0, 0489

9,3094

16,544

24, 448

30,712

40,984

42,979

48,886

Коэффициент полнодревесности плоской сплоточной единицы

0,66

0,66

0,70

0,70

0,73

0,73

0,73

0,73

0,73

0,73

0,73

0,73

0,74

0,74

Примечание. Все показатели в числителе относятся к модели плоской сплоточной единицы, а показатели в знаменателе — к плоской сплоточной единице натуральных размеров.

Проведение опытов для каждого оставшегося количественного фактора реализовывалось аналогично, что и для третьего количественного фактора, где конечным результатом был расчёт коэффициента полнодревесности модели плоской сплоточной единицы и плоской сплоточной единицы натуральных размеров в зависимости от диаметра круглых лесоматериалов в верхнем отрезе, из которых собирались ряды сплоточной единицы. Экспериментальные и расчётные данные по каждому количественному фактору заносились в таблицу 2.

Используя данные из таблицы 2 для плоской сплоточной единицы натуральных размеров, построили график зависимости коэффициента полнодревесности плоской сплоточной единицы натуральных размеров от диаметра круглых лесоматериалов, используемых в рядах сплоточной единицы. Полученный график представлен на рисунке 2.

Диаметр круглых лесоматериалов в верхнем отрезе, см.

Рисунок 2. График зависимости коэффициента полнодревесности сплоточной единицы от диаметра круглых лесоматериалов в верхнем отрезе [рисунок авторов]

Figure 2. Graph of the dependence of the unit stacking factor on the diameter of round timber in the upper segment

Анализ графика (рисунок 2) позволил сделать следующие выводы. Изменение коэффициента полнодревесности носит криволинейный характер, а при увеличении диметра круглых лесоматериалов в верхнем отрезе коэффициент полнодревесности увеличивается. Наибольшая интенсивность изменения коэффициента полнодревесности наблюдается при изменении диаметра круглых лесоматериалов в верхнем отрезе — от 10,0 до 30,0 см. Следует отметить, что график изменения коэффициента полнодревесности, представленный на рисунке 2, справедлив для плоской сплоточной единицы, имеющей длину и ширину соответственно 6,0 м и 4,0 м, а хаотичное расположение расчётных точек коэффициента полнодревесности связано с особенностью укладки круглых лесоматериалов в данной плоской сплоточной единице.

4.    Обсуждение и заключение

Проведённые экспериментальные исследования по определению коэффициента полнодревесности усовершенствованной плоской сплоточной единицы для различного диаметра круглых лесоматериалов в верхнем отрезе, из которых собираются ряды сплоточной единицы, показали следующие результаты.

Коэффициент полнодревесности плоской сплоточной единицы зависит от геометрического объёма сплоточной единицы и количества древесины, содержащейся в данном геометрическом объёме, т. е. чем меньше геометрический объём плоской сплоточной единицы, тем больше коэффициент полнодревесности.

В свою очередь, при высоком уровне содержания древесины в геометрическом объёме плоской сплоточной единицы её коэффициент полнодревесности будет иметь высокий показатель. При этом диаметр круглых лесоматериалов, укладываемых в ряды плоской сплоточной единицы, также влияет на её коэффициент полнодревесности. При возрастании диаметра круглых лесоматериалов увеличивается коэффициент полнодревесности усовершенствованной плоской сплоточной единицы. Наибольшая интенсивность изменения коэффициента полнодревесности наблюдается при изменении диаметра круглых лесоматериалов в верхнем отрезе — от 10,0 до 30,0 см.

Применение полученного коэффициента полнодревесности плоских сплоточных единиц в расчётах по определению транспортно-эксплуатационных показателей даст возможность осуществить правильное и рациональное планирование сплава лесоматериалов по транспортно-технологическим схемам, реализуемым на базе плоских сплоточных единиц.

Статья научная