Требования к диаметрам круглых лесоматериалов для обеспечения жёсткости плоской сплоточной единицы

Древесина является уникальным природным материалом, востребованным в различных отраслях материального производства, и в настоящее время существует много перспективных технических средств, обеспечивающих эффективную переработку древесины для её полноценного использования [1—6]. Предприятия — потребители древесины — расположены на значительном удалении от мест произрастания спелых древостоев, где производится заготовка лесоматериалов современными машинами и оборудованием для лесосечных работ [7—12], а поэтому важное значение в процессах заготовки и потребления древесины имеет транспорт, на долю которого приходится более половины всех затрат на заготовку лесоматериалов [13].

Для реализации поставок лесоматериалов от мест заготовки до предприятий-потребителей водным транспортом, с учётом требований по обеспечению экологической безопасности эксплуатируемых водных объектов [14], были разработаны транспортно-технологические схемы [15], [16], функционирующие на базе современных плоских сплоточных единиц. Основной особенностью данных транспортно-технологических схем является использование сплоточных единиц, обладающих малой осадкой и высоким коэффициентом полнодревесности, на первоначальном и магистральном сплаве лесоматериалов. При этом плоские сплоточные единицы, в зависимости от назначения эксплуатируемого водного объекта на первоначальном сплаве лесоматериалов, могут транспортироваться самосплавом или в составе малогабаритного (первоначального) плота, т. е. линейки. На магистральном сплаве древесины плоские сплоточные единицы транспортируются в составе крупногабаритного (магистрального) плота, который имеет секции, сформированные из сплоточных единиц или плотов (линеек), применяемых на первоначальном плотовом сплаве лесоматериалов.

Обеспечение эффективного функционирования транспортно-технологических схем поставки лесоматериалов потребителям [13—26] требует совершенствования известных плоских сплоточных единиц в плане упрощения их конструкции и обеспечения возможности изготовления в сплоточных машинах. Предложена конструкция плоской сплоточной единицы [18], [27], удовлетворяющая указанным требованиям.

Цель исследования — определить допустимый диапазон варьирования диаметров круглых лесоматериалов в рядах плоской сплоточной единицы относительно принятого (номинального) диаметра для обеспечения её жёсткости.

2.    Материалы и методы

Ряды круглых лесоматериалов усовершенствованной конструкции плоской сплоточной единицы (патент РФ № 210485) [27], которая получила ряд дополнительных конструктивных преобразований [18], являются объектом исследования. Экспериментальное исследование характеризуется качественными и количественными факторами. Качественный фактор определяет сам объект [28—35], а количественный фактор — состояние объекта [28—35]. В данном случае качественным фактором будет конструкция плоской сплоточной единицы, а количественным фактором следует считать используемые диаметры круглых лесоматериалов в рядах данной плоской сплоточной единицы. На основе этого построена функциональная схема проведения экспериментального исследования, которая представлена на рисунке.

Рисунок. Функциональная схема проведения эксперимента [рисунок авторов]

Figure. Functional scheme of the experiment

Из данной схемы (рисунок 1) видно, что количественные факторы, являющиеся номинальными диаметрами лесоматериалов, изменяются от d1нт(x1) до dnнт(xn). Качественный фактор — это усовершенствованная конструкция плоской сплоточной единицы (z1). Откликами являются значения диаметров круглых лесоматериалов в рядах плоской сплоточной единицы, изменяющиеся от d до d и от d до d n m n          nнт              nнт          n max относительно принятого номинального диаметра dnнт , т. е. dnmin ≤ dnнт ≤dnmax .

На основе схемы проведения эксперимента разработана матрица планирования опытов (таблица 1). При этом приняты следующие условия. Номинальные диаметры изменяются от 10,0 до 70,0 см с шагом 10,0 см. Интервал варьирования составляет 5,0 см, а число уровней будет зависеть от числа опытов.

Дальнейшее проведение всех опытов осуществлялось согласно матрице (таблица 1) по следующей методике.

Например, для первого количественного фактора первого уровня в каждый ряд сплоточной единицы должно укладываться не менее 50,0 % круглых лесоматериалов, имеющих диаметр в верхнем отрезе 10,0 см (диаметр нулевого уровня). Остальные 50,0 % круглых лесоматериалов представляют собой лесоматериалы с диаметром в верхнем отрезе 11,0 см (максимальный диаметр) и 9,0 см (минимальный диаметр). Их процентное соотношение должно составлять по 25,0 %. Также, например, для четвёртого количественного фактора в третьем эксперименте (третий уровень) в рядах плоской сплоточной единицы необходимо укладывать не менее 50,0 % круглых лесоматериалов, имеющих диаметр в верхнем отрезе 40,0 см (диаметр нулевого уровня). Оставшиеся 50,0 % представляют собой круглые лесоматериалы 43,0 см (максимальный диаметр) и 37,0 см (минимальный диаметр) в верхнем отрезе, а их процентное соотношение будет равным друг другу и составлять по 25,0 %. По данной технологии изготавливается плоская сплоточная единица для каждого количественного фактора в конкретном опыте. При этом для каждого количественного фактора максимальное количество опытов составляет пять, а минимальное количество опытов будет равно тому номеру опыта, при котором опытная плоская сплоточная единица начнёт обладать недостаточной жёсткостью.

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	dr 5 нт	d 6 нт	d 7 нт
Нулевой уровень	10	20	30	40	50	60	70
Интервал варьирования	5	5	5	5	5	5	5
Верхний уровень	15	25	35	45	55	65	75
Нижний уровень	5	15	25	35	45	55	65
Опыт 1	± 1	± 1	± 1	± 1	± 1	± 1	± 1
Опыт 2	± 2	± 2	± 2	± 2	± 2	± 2	± 2
Опыт 3	± 3	± 3	± 3	± 3	± 3	± 3	± 3
Опыт 4	± 4	± 4	± 4	± 4	± 4	± 4	± 4
Опыт 5	± 5	± 5	± 5	± 5	± 5	± 5	± 5

Проведение вышеуказанных опытов обуславливается определёнными регламентами, выполнение которых обязательно. Первый регламент обязывает использовать не менее 50,0 % круглых лесоматериалов с диаметром в верхнем отрезе, равным установленному нулевому уровню. Выполнение данного регламента обязательно, т. к. если в рядах будет использоваться менее 50,0 % круглых лесоматериалов с диаметром в верхнем отрезе, равным установленному нулевому уровню, то нулевой уровень сместится в бóльшую или меньшую сторону, а проведение эксперимента не будет соответствовать матрице планирования опытов. Смещение нулевого уровня в бóльшую или меньшую сторону происходит тогда, когда вторая бóльшая часть круглых лесоматериалов будет иметь только диаметр в верхнем отрезе больше или меньше диаметра нулевого уровня на установленную единицу, которая указана в соответствующем опыте. При этом в практических условиях допускается использование равного количества круглых лесоматериалов в ряду, например, с диаметром

20,0 см (диаметр нулевого уровня) и 21,0 см (максимальный диаметр). Также следует отметить, что принятие в каждом опыте 25,0 % состава круглых лесоматериалов в рядах с минимальным диаметром в верхнем отрезе и 25,0 % состава круглых лесоматериалов в рядах с максимальным диаметром в верхнем отрезе необходимо для более широкого изучения технологического процесса изготовления плоской сплоточной единицы. Второй регламент устанавливает при проведении опытов изменение диаметра круглых лесоматериалов в верхнем отрезе кратным одной единице, т. к. при заготовке древесины диаметр в верхнем отрезе округляется до целого числа, а современные таблицы определения объёма круглых лесоматериалов требуют использования диаметра, имеющего целое числовое значение. Последний регламент обуславливает приостановку проведения опыта по каждому количественному фактору, когда исследуемая плоская сплоточная единица станет недостаточно жёсткой, чтобы обеспечить волноустойчивость конструкции. Для рассматриваемого эксперимента недостаточная жёсткость конструкции испытуемых плоских сплоточных единиц устанавливается тогда, когда при поднятии их и повороте на 90,0° круглые лесоматериалы с минимальным диаметром в верхнем отрезе, уложенные в рядах, будут выпадать из рядов за счёт силы тяжести.

В реальных условиях размеры сплоточных единиц достаточно большие, а следовательно, их изготовление повлечёт за собой колоссальные временн ы е, финансовые и трудовые затраты при выполнении всех манипуляций с круглыми лесоматериалами и полученными сплоточными единицами. Для снижения затрат все опыты эксперимента проводились на моделях плоских сплоточных единиц, масштаб которых, согласно рекомендациям исследований [17], [24], принимается 1 : 10. Использование в опытах моделей плоских сплоточных единиц не повлияет на достоверность получаемых данных экспериментального исследования.

В соответствии с принятым масштабом устанавливаем длину первого и третьего рядов 60,0 см. В данном случае показатели количественного фактора также примут установленный масштаб для каждого нулевого уровня в каждом опыте. Выбор породы древесины круглых лесоматериалов не устанавливается. Сбежистость должна быть не более 1,0 см на 1,0 м длины, что в масштабе 1,0 мм на 10,0 см, а кривизна лесоматериалов должна иметь минимально возможный процентный показатель. В качестве гибких связей применяется вязальная проволока с диаметром поперечного сечения 0,4 см. При этом вместо вертикальных скоб используются рейки, которые крепятся в торцы круглых лесоматериалов с помощью гвоздей. На основе вышесказанного (например, для четвёртого количественного фактора в первом опыте с диаметром нулевого уровня 4,0 см) длина изготовляемой модели равна 60,0 см, ширина модели определяется расчётным путём. Следовательно, в первом и третьем рядах, с учётом сбежистости заготовок круглых лесоматериалов, уложатся по 9 шт. данных заготовок, т. к. 40 ^ 4,3 = 9,3 ® 9 шт. Во втором и четвёртом рядах, с учётом сбежистости заготовок лесоматериалов, нужно укладывать по 14 шт. заготовленных круглых лесоматериалов, из расчёта, что 60 ^4,2 = 14,28 ® 14 шт. Тогда ширина модели сплоточной единицы равна: 9х 4,3 = 38,7 см, а следовательно, круглые лесоматериалы второго и четвёртого рядов будут иметь длину 38,7 см. После установления количества необходимых круглых лесоматериалов с определёнными размерами осуществлялись их заготовка и изготовление модели плоской сплоточной единицы, согласно публикациям [18], [27], в специальной установке (фото 1). Модель показана на фото 2. Затем данная модель подвергалась испытанию на жёсткость. Причём когда конструкция модели плоской сплоточной единицы обеспечивает нужную жёсткость, выполняется переход ко второму опыту в рамках четвёртого количественного фактора, в противном случае осуществляется переход к первому опыту следующего количественного фактора. Дальнейшие расчёты по каждому количественному фактору для каждого опыта осуществляются по аналогичному примеру, что было представлено для первого опыта четвёртого количественного фактора.

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 [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 проведении всех опытов полученные данные заносились в таблицу, где каждому диаметру нулевого уровня присваивался установленный допустимый диапазон варьирования диаметра круглых лесоматериалов в рядах плоской сплоточной единицы.

Реализация всех работ по измерению длины выпиливаемых заготовок круглых лесоматериалов осуществлялась рулеткой измерительной металлической (ГОСТ 7502-98). Диаметр заготовок круглых лесоматериалов измеряли штангенциркулем (ГОСТ 166-89). При этом диаметр каждой заготовки круглого лесоматериала замерялся два раза перпендикулярно друг другу и устанавливался средний, который принимался как фактический. Выпиливание всех заготовок круглых лесоматериалов производили ручной пилой (ГОСТ 26215-84).

а

Фото 2. Физическая модель плоской сплоточной единицы: а — модель из лесоматериалов с диаметром 4,0 см (вид спереди); б — модель из лесоматериалов с диаметром 4,0 см (вид сбоку) [фото авторов]

Photo 2. A physical model of a flat-flow unit: (a) timber model with a diameter of 4.0 cm front view; (b) timber model with a diameter of 4.0 cm side view

3.    Результаты

Первый опыт . В каждом первом и каждом третьем рядах модели присутствовало по 9 шт. круглых лесоматериалов, из которых 5 шт. с диаметром 4,0 см (номинальный диаметр), 2 шт. с диаметром 3,9 см (нижний порог диаметра) и 2 шт. с диаметром 4,1 см (верхний порог диаметра). При этом размещение круглых лесоматериалов с разным диаметром в каждом ряду осуществлялось произвольно и в разнокомелицу. В свою очередь, в каждом втором и каждом четвёртом рядах модели было помещено по 14 шт. круглых лесоматериалов, из которых 7 шт. с диаметром 4,0 см (номинальный диаметр), 3 шт. с диаметром 3,9 см (нижний порог диаметра) и 4 шт. с диаметром 4,1 см (верхний порог диаметра). Также размещение круглых лесоматериалов с разным диаметром в каждом ряду осуществлялось произвольно и в разнокомелицу. Как показал опыт, модель обладала достаточной жёсткостью. Все данные были занесены в таблицу 2.

Второй опыт . В каждый первый и каждый третий ряды модели уложено 9 шт. круглых лесоматериалов, из которых 5 шт. с диаметром 4,0 см, 2 шт. с диаметром 3,8 см и 2 шт. с диаметром 4,2 см. При этом во втором и четвёртом рядах модели сплоточной единицы было размещено по 14 шт. круглых лесоматериалов, из которых 7 шт. с диаметром 4,0 см, 3 шт. с диаметром 3,8 см и 4 шт. с диаметром 4,2 см. В первом, втором, третьем и четвёртом рядах укладка круглых лесоматериалов с разным диаметром реализовывалась произвольно и в разнокомелицу. Модель сплоточной единицы, изготовленная для второго опыта, не имела требуемой жёсткости. Следовательно, допустимый диапазон варьирования для установленного диаметра круглых лесоматериалов 4,0 см в рядах модели плоской сплоточной единицы можно записать следующим образом: 3,9 ≤ 4,0 ≤ 4,1 . Полученные данные были занесены в таблицу 2.

По предлагаемой методике аналогичным способом были проведены все опыты для оставшихся количественных факторов, которые представляли собой диаметры круглых лесоматериалов в верхнем отрезе, из которых собирались ряды сплоточных единиц. Все полученные данные для сплоточной единицы с размерами диаметров круглых лесоматериалов, равными 1, 2, 3, 5, 6, 7 см, были занесены в таблицу 2.

Используя экспериментальные данные из таблицы 2, которые были получены для моделей плоских сплоточных единиц, устанавливаем допустимый диапазон варьирования диаметров круглых лесоматериалов, из которых собираются ряды плоской сплоточной единицы натуральных размеров. Установленные допустимые диапазоны варьирования диаметров круглых лесоматериалов в верхнем отрезе для рассматриваемой плоской сплоточной единицы приведены в таблице 3.

Таблица 2. Основные данные экспериментального исследования

Table 2. Basic data of the experimental study

Принятый (номинальный) диаметр, см	1,0	2,0	3,0	4,0	5,0	6,0	7,0
Верхний порог диаметра, см	1,1	2,1	3,1	4,1	5,1	6,1	7,1
Нижний порог диаметра, см	0,9	1,9	2,9	3,9	4,9	5,9	6,9
Количество круглых лесоматериалов в рядах, шт.	160	88	62	46	38	30	26
Количество круглых лесоматериалов в первом и третьем рядах, шт.	60	34	24	18	16	12	10
Количество лесоматериалов с номинальным диаметром в первом и третьем рядах, шт.	15	9	6	5	4	3	3
Количество лесоматериалов с верхним уровнем диаметра в каждом первом и каждом третьем рядах, шт.	8	4	3	2	2	2	1
Количество лесоматериалов с нижним уровнем диаметра в каждом первом и каждом третьем рядах, шт.	7	4	3	2	2	1	1
Количество круглых лесоматериалов во втором и четвёртом рядах, шт.	100	54	38	28	22	18	16
Количество лесоматериалов с номинальным диаметром в каждом втором и каждом четвёртом рядах, шт.	25	14	10	7	6	5	4
Количество лесоматериалов с верхним уровнем диаметра в каждом втором и каждом четвёртом рядах, шт.	13	7	5	4	3	2	2
Количество лесоматериалов с нижним уровнем диаметра в каждом втором и каждом четвёртом рядах, шт.	12	6	4	3	2	2	2
Допустимый диапазон варьирования, см	■—< о с 04 о н о	сч о с 04 н	1—< СП о с 04 сч н о	о с 04 СП н	>х с 04 н	40 о с 04 >х н о	о с 04 40 н о

Из таблицы 3 видно, что для каждого принятого (номинального) диаметра круглых лесоматериалов в верхнем отрезе, из которых собираются ряды плоской сплоточной единицы, присутствует изменение в бóльшую и меньшую сторону на 1,0 см. Следовательно, допустимый диапазон варьирования для всех диаметров круглых лесоматериалов в верхнем отрезе, из которых изготавливается данная плоская сплоточная единица, можно записать следующим образом: dП-1,0 ≤dП≤dП+1,0 см. Данное условие справедливо при изменении dП от 10,0 до 70,0 см. В практических условиях, при обозначении требований к диаметру круглых лесоматериалов, укладываемых в ряды плоской сплоточной единицы, необходимо условие варьирования диаметра записывать следующим образом: dП ±1, 0см .

Таблица 3. Диапазон варьирования диаметров круглых лесоматериалов

Table 3. The range of variation of round timber diameters

Принятый (номинальный) диаметр круглых лесоматериалов в верхнем отрезе, см	10	20	30	40	50	60	70
Допустимый диапазон варьирования, см	о с о и о	1—< сч о с о и о	ГП о с 04 сч и о	1—< о с о ГП и о	ю о с о	чо о с 04 ип и о	о с 04 40 и о

В практических условиях для обеспечения наибольшей жёсткости плоской сплоточной единицы необходимо использовать круглые лесоматериалы с минимальной сбежистостью. Не допускается использование круглых лесоматериалов в рядах, имеющих сбежистость более 1,0 см на 1,0 м длины. При этом гибкие связи должны быть отнесены от концов круглых лесоматериалов, уложенных в рядах, не менее чем на 1,0 м.

4.    Обсуждение и заключение

Варьирование диаметров круглых лесоматериалов, укладываемых в рядах плоской сплоточной единицы, допускается на определённом уровне, с учётом максимально допустимой сбежистости используемых круглых лесоматериалов. Экспериментальным путём установлено, что варьирование диаметров круглых лесоматериалов в рядах плоской сплоточной единицы относительно принятого диаметра в верхнем отрезе в диапазоне от 10,0 до 70,0 см составляет ± 1,0 см.

Соблюдение установленного варьирования диаметров круглых лесоматериалов в верхнем отрезе, из которых собираются ряды усовершенствованной плоской сплоточной единицы, позволит изготавливать сплоточные единицы данной конструкции, которые будут обладать достаточной жёсткостью и, как следствие, волноустойчивостью.