Транспортные качества мобильных гидротехнических сооружений наполняемого типа в условиях безграничного потока и мелководья

ЛЕСОИНЖЕНЕРНОЕ ДЕЛО

того порядка: в процессе перемещения сортиментов на погрузочный пункт трелевочный трактор неизбежно, хотя бы при одном грузовом рейсе, совершит 4 поворота. В таблице утолщенной линией выделены примеры траекторий, определяющие количество поворотов. Предварительные схемы волоков относятся к схемам нулевого или первого порядка, в то время как при корректировании порядок схемы возрастает. Порядок схем получается не ниже второго.

Таким образом, на практике при использовании колесных машин для сортиментной технологии лесосека рассматривается более детально, учитывается наличие и расположение различных участков. В этой связи схемы волоков при сортиментной технологии получаются более ветвистые, чем для хлыстовой технологии. Такие схемы целесообразно классифицировать по степени ветвистости, признак классификации - количество поворо-

тов трактора при движении на верхний склад в полностью погруженном состоянии. Для предварительного сбора данных об особенностях лесосеки целесообразно использовать специальные приборы для быстрого сканирования свойств грунта и определения координат «проблемных» участков на лесосеке. Целесообразно внедрение систем поддержки принятия решений по составлению схем волоков на лесосеке на основе минимизации причиняемого ущерба от многократных проходов трелевочных тракторов при одновременной оптимизации затрат на лесосечные работы за счет рациональной организации транспортной сети лесосеки.

Библиографический список

1. Салминен, Э.О. Размещение волоков на заболоченных лесосеках / Э.О. Салминен, С.В. Гуров, Б.М. Большаков // Лесная промышленность. - 1988. - № 3. - С. 3.

ТРАНСПОРТНЫЕ КАЧЕСТВА МОБИЛЬНЫХ ГИДРОТЕХНИЧЕСКИХ

сооружений наполняемого типа в условиях безграничного потока и мелководья

М.А. СОРОКИН, ст. преподаватель каф. транспорта леса МГУЛ,

А.Н. КОМЯКОВ, проф. каф. транспорта леса МГУЛ, канд. техн. наук

На кафедре транспорта леса МГУЛ в последние годы проводятся работы по созданию мобильных гидротехнических сооружений (ГТС) наполняемого типа. Основными элементами их конструкции являются мягкая оболочка рукавного типа и наполнитель. В качестве наполнителя в известных конструкциях обычно используется вода или воздух. Обязательным условием работоспособности такой конструкции является герметичность оболочки. В случае нарушения герметичности оболочки сооружение теряет форму и перестает создавать напор.

В ГТС наполняемого типа конструкции МГУЛ (патент РФ № 62615) используется твердый наполнитель, который обеспечивает возможность создавать напор даже при повреждении оболочки, что особенно важно

sorokin@mgul.ac.ru при использовании на лесосплавных реках. В качестве наполнителя могут использоваться, к примеру, измельченные древесные отходы, использованная пластиковая тара и т.п.

На кафедре транспорта леса МГУЛ также разработана конструкция (рис. 1) (патент RU № 86601 от 01.06. 2009 г), состоящая из внешней эластичной оболочки, внутренних сферических (или цилиндрических) емкостей и системы их заполнения (опорожнения). В транспортном положении вода из емкостей и пространства между ними в надводной части оболочки удаляется, за счет чего обеспечивается плавучесть ГТС с минимальной осадкой. Минимальная осадка ГТС необходима для его доставки на место эксплуатации по воде, а также для выполнения переместительных операций по установке в нужном месте русла

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 3/2011

81

ЛЕСОИНЖЕНЕРНОЕ ДЕЛО

Рис. 1. Гидротехническое сооружение: а) в рабочем положении, б) в транспортном положении: 1 - система заполнения-опорожнения; 2 - насосная установка; 3 - сферические емкости

реки. В рабочем положении за счет собственного веса сооружения и заполнения внутренних емкостей (и пространства между ними) водой сооружение приобретает отрицательную плавучесть для обеспечения плотного прилегания к основанию.

При транспортировке и выполнении различных переместительных операций во время монтажа мобильные ГТС испытывают сопротивление воды своему движению. Влияние сопротивления воды особенно сильно проявляется при транспортировке таких сооружений по мелководью и при поперечном перемещении во время их установки. В опытовом бассейне лаборатории водного транспорта леса МГУЛ проведена обширная серия опытов с моделями ГТС данного типа. В процессе опытов в широких пределах варьировались геометрические параметры ГТС, их плавучесть, а также глубины и скорости транспортировки.

Для обеспечения большей точности замеров сопротивления воды движению моделей ГТС была усовершенствована буксировочная система гравитационного типа. Буксирно-замкнутая линия с «бесконечным» тяговым канатом была заменена на тяговый канат с системой блоков (полиспаст), который подсоединялся непосредственно к испытуемой модели. Это позволило свести к ми-

нимуму силы трения в системе и сделало ее более чувствительной к задаваемым тяговым усилиям.

Модели представляли собой рукав из тонкой полипропиленовой пленки, внутрь которого помещались сферические емкости. В общем случае сопротивление воды движению емкости (или сила гидродинамического воздействия набегающего потока на покоящуюся емкость) зависит от размеров и формы ее подводной части, шероховатости поверхности, скоростного режима и путевых условий.

Сопротивление воды движению цилиндрической эластичной емкости в условиях мелководья можно определить по формуле

R = KмCli^^Q,

где Км - коэффициент, учитывающий влияние мелководья на сопротивление движению;

CR - коэффициент полного сопротивления воды движению емкости в условиях безграничного потока (отношение глубины потока к осадке H/T> 6);

р - плотность воды;

V - скорость движения емкости относительно потока;

Q - площадь поперечного сечения подводной части емкости.

82

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 3/2011

ЛЕСОИНЖЕНЕРНОЕ ДЕЛО

Рис. 2. а) Зависимость коэффициента сопротивления воды продольному перемещению емкости от числа Фруда. б) Зависимость коэффициента мелководья от относительной глубины потока

Как видно из формулы (1), на данном этапе исследования не делалось попыток разделить полное сопротивление на отдельные составляющие из предположения, что основной вклад в него у таких тел вносит сопротивление формы, особенно при поперечном расположении в потоке. При этом доля сопротивления

трения в полном сопротивлении относительно мала, а следовательно, и слаба зависимость коэффициента сопротивления от числа Рейнольдса Re =VT/ n, где n = h / r - кинематический коэффициент вязкости, а Т - осадка емкости. По этой причине число Рейнольдса было исключено из числа определяющих факторов.

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 3/2011

83

ЛЕСОИНЖЕНЕРНОЕ ДЕЛО

Рис. 3. Поперечное перемещение модели емкости

Целью экспериментов было установление зависимости коэффициента сопротивления воды движению цилиндрических емкостей от определяющих факторов

Cr=f (L/T, T/D, Fr),

где L и D - соответственно, длина и диаметр емкости, Fr=V2/gT - число Фруда.

Варьирование параметра L/D (отношение длины емкости к ее диаметру) достигалось изменением количества емкостей внутри рукава, а изменение осадки Т и параметра T/D - степенью заполнения этих емкостей водой. Нужные для опытов скорости буксировки достигались подбором весов тяговых грузов буксировочной системы. Модели буксировались вдоль и поперек по отношению к потоку в диапазоне чисел Фруда от 0,005 до 1,2. Относительная глубина потока H/T при изучении влияния мелководья изменялась за счет изменения глубины воды в опытовом бассейне.

Опыты показали (рис. 2а), что и при продольном и поперечном перемещении в потоке коэффициент сопротивления уменьшается с увеличением скорости движения и числа Фруда. Такой же характер имеет зависимость коэффициента местного гидравлического сопротивления от средней скорости проходящего через него потока.

В результате серии опытов были получены уравнения регрессии, с помощью которых можно вычислить сопротивление воды продольному и поперечному перемещению цилиндрических емкостей:

- при продольном перемещении Cr = 3,18 + 0,04L/T- 3,5 Fr +1,73 Fr2 -

- 2,94 T/D + 1,49

- при поперечном перемещении

Cr = 1,79 + 0,02 L/T - 3,46Fr + 0,0024 Fr2.

Опыты показали, что и при продольном и при поперечном перемещении емкостей зависимость коэффициента сопротивления Cr от относительной длины L/T носит линейный характер. При этом коэффициент сопротивления растет с увеличением относительной длины. При продольном перемещении этот рост объясняется простым увеличением длины буксируемого тела. При поперечном перемещении рост может объясняться ухудшением обтекаемости и усилением вихреобразования у удлиненных емкостей.

Коэффициент, учитывающий влияние мелководья на сопротивление воды продольному и поперечному перемещению цилиндрических емкостей, определялся как отношение коэффициента сопротивления в условиях мелководья CrM к коэффициенту сопротивления в условиях безграничного потока Cr на схожих скоростных режимах буксировки

Км = CrM / Cr.

Для учета влияния мелководья на сопротивление движению получены следующие зависимости

- при продольном перемещении

Км = 0,71 + 1,84 /

- при поперечном перемещении

Км = 0,55 + 2,28 /

Очевидно, что результаты выполненных модельных исследований нуждаются в экспериментальной проверке и уточнении в натурных условиях. Данные результаты могут быть применимы не только для расчета мобильных гидротехнических сооружений, но и других тел схожей геометрии, например мягких плавучих контейнеров.

Библиографический список

1. Комяков, А.Н. Экспериментальные исследования сопротивления воды движению контейнерных плотов для сплава измельченной древесины / А.Н. Комяков // Научные труды. - Вып. 177. - М.: МЛТИ, 1986. - С. 77-86.

2. Родионов, П.М. Метод подобия и его применение к решению задач лесосплава: учебное пособие / П.М. Родионов. - Л.: ЛТА, 1982. - 84 с.

3. Комяков, А.Н. Гидродинамические характеристики плавучих контейнеров и контейнерных составов для доставки измельченных лесных грузов / А.Н. Комяков, М.А. Сорокин // Вестник МГУЛ - Лесной вестник. - 2010. - № 4(73). - С. 102-104.

84

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 3/2011