Экспериментальное определение коэффициента полнодревесности усовершенствованной плоской сплоточной единицы

Водный транспорт является наиболее экономически выгодным транспортом лесоматериалов, который использует естественные водные пути [1—11] и кинетическую энергию потока воды. При этом данный вид транспорта имеет ряд недостатков, связанных с сезонностью его применения и ограничением сплава на малых и средних реках. Сезонность применения водного транспорта обуславливается закрытием навигации при ледоставе, поэтому транспортировка лесоматериалов реализуется только при открытии навигации. Ограничение сплава лесоматериалов на малых и средних реках происходит из-за того, что данные реки имеют лимитирующие габариты сплавного хода, не позволяющие выполнять сплав лесоматериалов в сплоточных единицах и плотах, которые имеют большую осадку. При выполнении сплава лесоматериалов на малых и средних реках наиболее целесообразно применять микропучки или плоские сплоточные единицы, но, как показывает практика [1—5], [11—16], сплав лесоматериалов по рекам с лимитирующими габаритами сплавного хода следует осуществлять в плоских сплоточных единицах, которые в большей степени приспособлены к сложным условиям сплава. Известные плоские сплоточные единицы [1—2], [5], [11—16], в т. ч. те, которые прошли полноценные испытания в Северодвинском бассейне [13], [16], показали хорошие результаты при своей эксплуатации, но при этом были выявлены недостатки, не позволяющие массово перейти на сплав лесоматериалов в плоских сплоточных единицах. К данным недостаткам относятся [17]: сложность конструкции, требующей большого количества сплоточного такелажа; сложность изготовления плоских сплоточных единиц, требующих больших временн ы х и трудовых затрат; невысокий среднестатистический коэффициент полнодревесности среди типовых конструкций плоских сплоточных единиц. При этом последний недостаток не даёт возможность максимально использовать пропускную способность сплавного хода.

Учитывая выявленные недостатки известных сплоточных единиц, была разработана система плоской сплоточной единицы [18—19] с высоким коэффициентом полнодревесности, которая имеет простую конструкцию и изготавливается на грузовой платформе с малыми трудозатратами [20]. Для оценки эффективности разработанной конструкции плоской сплоточной единицы при проведении сплава требуется проведение экспериментального исследования по установлению её коэффициента полнодревесности.

Цель работы — экспериментально определить коэффициент полнодревесности усовершенствованной плоской сплоточной единицы в зависимости от применяемого диаметра круглых лесоматериалов в верхнем отрезе.

2.    Материалы и методы

Разработанная конструкция плоской сплоточной единицы с повышенным коэффициентом полнодревесности (патент на изобретение РФ № 2777676) [19], которая дополнительно была подвергнута ряду усовершенствований [18], является объектом исследования.

Коэффициент полнодревесности усовершенствованной плоской сплоточной единицы является одним из основополагающих при расчёте объёма древесины в сплоточной единице и её осадки. Данные показатели — это основные аргументы при обосновании степени использования пропускной способности сплавного хода. Следовательно, установление коэффициента полнодревесности K _ППСЕ плоской сплоточной единицы экспериментальным путём считается важнейшей задачей перед внедрением её в практику сплава лесоматериалов по рекам с малыми глубинами.

Рассматривая подробно процесс проведения экспериментального исследования по обоснованию коэффициента полнодревесности плоской сплоточной единицы, можно сделать однозначный вывод, что на проведение всей исследовательской работы будут влиять количественные и качественные факторы. С учётом основных правил по планированию эксперимента в технологических исследованиях [21—31] была построена схема проведения эксперимента. Данная схема изображена на рисунке 1.

Рисунок 1. Функциональная схема проведения эксперимента

• Figure 1. Functional scheme of the experiment

  В соответствии с изображённой на рисунке 1 схемой проведения эксперимента присутствует один качественный фактор, именуемый конструкция № 1 ( z 1 ), т. е. это конструкция усовершенствованной плоской сплоточной единицы (патент на изобретение РФ № 2777676). Также имеются в наличии количественные факторы — это диаметры круглых лесоматериалов в верхнем отрезе, из которых собираются ряды плоских сплоточных единиц.

Они изменяются от d _{1 нт} до d _nнт . Параметром отклика является коэффициент полнодревесности плоской сплоточной единицы в зависимости от диаметра круглых лесоматериалов в верхнем отрезе, из которых собираются ряды сплоточной единицы.

Для наиболее рационального выполнения экспериментальных исследований строится матрица планирования опытов на основании схемы, изображённой на рисунке 1. При этом построение матрицы планирования опытов реализуется с учётом соблюдения определённых условий. Первое условие — диаметры круглых лесоматериалов в верхнем отрезе являются количественными факторами. Данные диаметры являются нулевыми уровнями, которые изменяются от 10 до 70 см, с шагом 10 см. Второе условие — все диаметры круглых лесоматериалов в верхнем отрезе для каждого количественного фактора при изготовлении моделей должны обязательно соответствовать нулевому уровню. Третье условие — это требование к заготавливаемым круглым лесоматериалам, которые используются при изготовлении плоской сплоточной единицы. Порода древесины заготавливаемых круглых лесоматериалов не регламентируется, их средняя сбежистость должна быть не более 1 см на 1 м при минимально возможном процентном показателе кривизны лесоматериалов. В соответствии с данными условиями в отношении качественного фактора будут выполняться семь опытов. На основании этого была построена 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
Номер опыта:	—	—	—	—	—	—	—
1	+	+	+	+	+	+	+

На основании матрицы планирования опытов, приведённой в таблице 1, выполняются дальнейшие экспериментальные работы по установлению коэффициента полнодревесности K_nППСЕ плоской сплоточной единицы для каждого количественного фактора. При этом выполнение опытов осуществлялось по следующей методике.

Выполнение всех опытов в отношении плоской сплоточной единицы (патент на изобретение РФ № 2777676) предусматривает изготовление семи сплоточных единиц натуральных размеров. При этом изготовление плоских сплоточных единиц требует заготовки круглых лесоматериалов, где особая сложность присутствует при заготовке лесоматериалов, имеющих диаметр в верхнем отрезе 40, 50, 60 и 70 см. Эти факторы несут в себе значительную потребность материальных и трудовых ресурсов, а также большие затраты времени. Отсюда следует, что для уменьшения всех затрат при проведении каждого опыта и увеличения скорости их реализации наиболее рационально переходить на работу с моделями плоских сплоточных единиц. Масштаб моделей плоских сплоточных единиц принимается равным 1 : 10. Данный масштаб является наиболее оптимальным, а получаемые экспериментальные данные будут являться объективными и достоверными для дальнейшего использования во всех расчётах.

Например, для второго количественного фактора, согласно принятому масштабу, принимаем длину круглых лесоматериалов в рядах, равную 60 см, а ширину модели следует принимать 40 см. Размеры поперечных прокладок устанавливаются в зависимости от количества круглых лесоматериалов, укладываемых в каждом ряду, и их принятого диаметра. Таким образом, для данного опыта количество круглых лесоматериалов с учётом их сбежистости в первом и третьем рядах составляет 40 ^ 2,3 = 17,39 « 17 шт., а во втором и четвёртом — 16 шт. Тогда длина поперечных прокладок равна 39,1 см, а средний диаметр внутренних и наружных поперечных прокладок d _CрВПП и d _CрНПП в середине их длин рекомендуется определять соответственно по формулам:

d CpBnn = ^ккудв d Cp ; (1)

d CpHnn ^кКУДН d Cp ,

где kКУДВ — коэффициент уменьшения диаметра внутренних поперечных прокладок; dCр — средний диаметр в верхнем отрезе круглых лесоматериалов, используемых в рядах плоской сплоточной единицы, см; kКУДН — коэффициент уменьшения диаметра наружных поперечных прокладок.

При расчёте d _CрВПП и d _CрНПП коэффициенты k _КУДВ и k _КУДН будут равными значениям, которые устанавливаются экспериментальным путём.

Для данного эксперимента гибкие связи будут представлять собой вязальную проволоку с диаметром 0,4 см. При этом горизонтальные скобы представляют собой металлические стержни с диаметром 0,6 см, а вместо вертикальных скоб используются деревянные рейки, которые крепятся к поперечным прокладкам гвоздями. Модель плоской сплоточной единицы изготавливается, согласно патенту на изобретение РФ № 2777676, в специальной установке (фото 1). Реализовав сплотку плоской сплоточной единицы, измеряют её среднюю длину L_МПСЕ , ширину В_МПСЕ и высоту H _МПСЕ , а также рассчитывают объём древесины в сплоточной единице V _ДМПСЕ с учётом объёма древесины в поперечных прокладках. Для дальнейшего расчёта коэффициента полнодревесности данной модели применяется следующая формула:

K 2 ППСЕ

у

ДМПСЕ

Т R И

L МПСЕ В МПСЕ H МПСЕ

Рассчитываемый коэффициент полнодревесности по формуле (3), относящийся ко второму количественному фактору, заносили в таблицу 2.

Проведение опытов для 1-го и 3—8-х количественных факторов выполняется аналогично второму количественному фактору. Показатели коэффициента полнодревесности по каждому количественному фактору заносили в таблицу 2.

При проведении данного эксперимента измерение длины выпиливаемых заготовок лесоматериалов, а также габаритов моделей усовершенствованной плоской сплоточной единицы осуществляли рулеткой измерительной металлической (ГОСТ 7502-98). Замер диаметра круглых лесоматериалов и поперечных прокладок выполняли штангенциркулем (ГОСТ 166-89). Выпиливание всех круглых лесоматериалов и поперечных прокладок осуществляли ручной пилой (ГОСТ 26215-84). Также следует отметить, что замер диаметров круглых лесоматериалов и поперечных прокладок в середине их длины выполняли два раза перпендикулярно друг другу, где в последующем устанавливали рабочий диаметр, который применяли в расчётах. При расчёте объёма древесины в каждой модели усовершенствованной плоской сплоточной единицы использовалась таблица объёмов круглых лесоматериалов [32].

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 регулирующие шпильки; 7 — вертикальные упоры; 8 — цепи

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

3.    Результаты

При изготовлении модели усовершенствованной плоской сплоточной единицы из круглых лесоматериалов, имеющих диаметр в верхнем отрезе 2 см, в установке, представленной на фото 1, использовалось 66 заготовок круглых лесоматериалов длиной 60 см. Количество используемых внутренних и наружных поперечных прокладок — четыре штуки, длина которых составила 39,1 см. Диаметры внутренних и наружных поперечных прокладок в середине длины рассчитывались соответственно:

^dCpBnn = ^кКУДВ^dCp = 0,85 ^X 2, 0 = 1, ⁷ см;

d CpHnn = ^ккудн d Cp = 1,0 ^x 2,0 = 2,0 с^М.

Следует отметить, что внутренние и наружные поперечные прокладки выпиливались из заготовок, которые имели минимальную сбежистость, т. е. их объём считался как объём цилиндра.

В установке (фото 1) была собрана модель усовершенствованной плоской сплоточной единицы, которая представлена на фото 2. Данная модель имела среднюю длину 0,64 м, среднюю ширину 0,391 м, среднюю высоту 0,083 м. Фактический объём древесины в модели сплоточной единицы определялся по таблицам объёмов круглых лесоматериалов [32]. На основании данных таблиц был определён объём древесины в модели сплоточной единицы, который составил:

VдмпcЕ = Vдpяд + Vдnp = 0,0165 + 0,000423 = 0,016923 м3, где VДряд — это объём древесины в рядах, м3; VДпр — объём древесины во внутренних и наружных прокладках, м3.

Фото 2. Физическая модель плоской сплоточной единицы

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

Полученные габаритные размеры модели и фактический объём древесины в ней по формуле (3) позволили определить коэффициент полнодревесности:

K 2 ППСЕ

V

ДМПСЕ

L МПСЕ В МПСЕ H МПСЕ

0,0169

0,64 х 0,391 х 0,083

0,0169

0,0208

= 0,8125 « 0,81.

Принимая во внимание экспериментальные и расчётные данные, полученные для модели плоской сплоточной единицы, изготовленной из круглых лесоматериалов с диаметром в верхнем отрезе 2 см, был произведён расчёт коэффициента полнодревесности для плоской сплоточной единицы с диаметром круглых лесоматериалов в верхнем отрезе 20 см. При этом все полученные данные для модели сплоточной единицы были переведены, согласно масштабу, в требуемый формат. Используя полученные данные, был рассчитан коэффициент полнодревесности следующим образом:

K 2 ППСЕ

V

ДПСЕ

L ПСЕ В ПСЕ H ПСЕ

16,923

6,4 х 3,91 х 0,83

16,923

20,7699

= 0,8148 « 0,81.

Все экспериментальные и расчётные данные, которые были установлены для модели и усовершенствованной плоской сплоточной единицы натуральных размеров, фиксировались в таблице 2.

Таблица 2. Основные данные экспериментального исследования

Table 2. Basic data 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.	118	66	46	34	30	22	18
Количество лесоматериалов в первом и третьем рядах, шт.	60	34	24	18	16	12	10
Количество лесоматериалов во втором и четвёртом рядах, шт.	58	32	22	16	14	10	8
Геометрический объём плоской сплоточной единицы, м3	0,0116	0,0208	0,0306	0,0394	0,0539	0,0579	0,0656
	11,575	20,770	30,574	39, 440	53,935	57,902	65,613
Объём древесины в плоской сплоточной единице, м3	0,0097 9,694	0,0169 16,923	0,0245 24,533	0,0311 31,106	0,0421 42,132	0,0442 44,207	0,0492 49,151
Коэффициент полнодревесности плоской сплоточной единицы	0,84 0,84	0,81 0,81	0,80 0,80	0,79 0,79	0,78 0,78	0,76 0,76	0,75 0,75

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

Воспользовавшись приведёнными данными в таблице 2, которые относятся к усовершенствованной плоской сплоточной единице натуральных размеров, построили график зависимости её коэффициента полнодревесности от диаметра круглых лесоматериалов, используемых в рядах сплоточной единицы. Данный график представлен на рисунке 2.

Диаметр круглых лесоматериалов в верхнем отрезе, см.

Рисунок 2. График зависимости коэффициента полнодревесности усовершенствованной плоской сплоточной единицы от диаметра круглых лесоматериалов в верхнем отрезе

Figure 2. Graph of the dependence of the stacked volume ratio of the improved flat flow unit on the diameter of round timber in the upper segment

Анализ графика изменения коэффициента полнодревесности усовершенствованной плоской сплоточной единицы, представленного на рисунке 2, показывает, что изменение коэффициента полнодревесности усовершенствованной плоской сплоточной единицы натуральных размеров (патент на изобретение РФ № 2777676) происходит по нелинейной зависимости. Данная зависимость указывает на постоянное уменьшение коэффициента полнодревесности при увеличении диаметра круглых лесоматериалов в верхнем отрезе, из которых собираются ряды плоской сплоточной единицы. Наибольшая интенсивность изменения коэффициента полнодревесности наблюдается при изменении диаметра круглых лесоматериалов в верхнем отрезе от 10 до 30 см. Также необходимо отметить, что данный график приемлем для плоской сплоточной единицы, имеющей длину 6 м и ширину 4 м.

4.    Обсуждение и заключение

Проведённые экспериментальные исследования моделей усовершенствованной плоской сплоточной единицы позволили установить зависимость коэффициента её полнодревесности от диаметра круглых лесоматериалов в верхнем отрезе, из которых собираются ряды сплоточной единицы. При этом получены следующие результаты.

Коэффициент полнодревесности плоской сплоточной единицы определяется габаритным объёмом сплоточной единицы и объёмом древесины в данном габаритном объёме. Причём объём древесины в габаритном объёме плоской сплоточной единицы зависит от диаметра круглых лесоматериалов в верхнем отрезе, из которых собираются ряды сплоточной единицы.

При увеличении диаметра круглых лесоматериалов в верхнем отрезе коэффициент полнодревесности плоской сплоточной единицы уменьшается. При этом изменение коэффициента полнодревесности протекает по нелинейной зависимости. В свою очередь, наиболее интенсивное изменение коэффициента полнодревесности наблюдается при изменении диаметра круглых лесоматериалов в верхнем отрезе от 10 до 30 см.

В практических условиях, как правило, наибольшее количество плоских сплоточных единиц изготавливается из круглых лесоматериалов, у которых диаметр в верхнем отрезе изменяется в диапазоне 10—40 см. При этом полученные экспериментальные данные показывают, что усовершенствованная плоская сплоточная единица в данном диапазоне изменения диаметров круглых лесоматериалов имеет наибольший коэффициент полнодревесности. Таким образом, выполнение сплава лесоматериалов в усовершенствованной плоской сплоточной единице будет обеспечивать высокую степень использования пропускной способности сплавного хода и способствовать увеличению объёмов поставки древесины потребителям водным транспортом.