CC BY
10
УДК 629.5.072.1
Хвойные бореальной зоны. Том XXXV, № 1-2. С. 27-31
АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ ЛЕДОВОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ ДВИЖЕНИЮ ПЛОТА В ПРОДЛЕННЫЙ ПЕРИОД НАВИГАЦИИ
В. П. Корпачев1, А. А. Асмус2
1 Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31
E-mail: [email protected] 2АО «Полюс Красноярск» Российская Федерация, 660061, г. Красноярск, ул. Цимлянская, 37 E-mail: [email protected]
Приведен анализ результатов полученных при проведении исследования ледового сопротивления движению плота в виде графической зависимости полного ледового сопротивления Ял, сопротивления воды Яв, чистого ледового сопротивления Ялч от длины сегмента плота Lm, толщины битого льда Нл, скорости буксировки vm, отношения ширины канала к ширине сегмента плота Кв. В качестве материала, имитирующего битый лед, использовались полиэтилен высокого давления и натуральный лед. Наиболее точные результаты дает натуральный лед, что было подтверждено экспериментально в данной работе, значения ледового сопротивления, полученные с использованием полиэтилена высокого давления, превышают результаты, полученные с использованием натурального льда на 20-30 % и требуют введение коэффициента пересчета. При изменении длины плота Lm от 0,8 до 2,4 м полное ледовое сопротивление Ял увеличивается на 36,4 %, при изменении толщины льда Нл от 0,007 до 0,017м полное ледовое сопротивление Ялувеличивается в 5,3 раза, при изменении скорости буксировки плота ипл от 0,1 до 0,3 м/с полное ледовое сопротивление Ял увеличивается в 6раз.
Ключевые слова: продленная навигация, лесосплав, уравнение регрессии, битый лед из полиэтилена высокого давления, ледовое сопротивление, математическая модель, лесосплав, ледовый канал, моделированный лед.
Conifers of the boreal area. Vol. XXXV, No. 1-2, P. 27-31
ANALYSIS OF THE RESULTS OF EXPERIMENTAL INVESTIGATION OF ICE RESISTANCE TO MOVEMENT OF THE RAFT IN THE EXTENDED NAVIGATION PERIOD
V. P. Korpachev1, A. A. Asmus2
1Reshetnev Siberian State Aerospace University 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation E-mail: [email protected] 2JSC "Polyus Krasnoyarsk" 37, Cimlyanskaya Str., Krasnoyarsk, 660061, Russian Federation E-mail: [email protected]
The paper presents an analysis of the results of the ice resistance in the form of a graph of the total ice resistance Ri, the water resistance Rw, the net ice resistance Rin from the length of the segment of the raft Lr, the thickness of the broken ice hi, the speed of towing vn the ratio of the width of the channel to the width Segment of the raft Kw. As a material simulating broken ice, high-pressure polyethylene and natural ice were used. The most accurate results are obtained from natural ice, which was confirmed experimentally in this paper, the values of ice resistance obtained using high-density polyethylene exceed the results obtained with natural ice by 20-30 % and require the introduction of a conversion factor. When the length of the raft Lr varies from 0,8 to 2,4 m, the total ice resistance Ri increases by 36.4 %, with a change in the ice thickness hi from 0,007 to 0,017 m, the total ice resistance Ri increases by 5,3 times, with a change in the towing speed ur the density of ice from 0,1 to 0,3 m/s, the total ice resistance Ri is increased by 6 times.
Keywords: Prolonged navigation, rafting, regression equation, broken ice from high-pressure polyethylene, ice resistance, mathematical model, rafting, ice channel, simulated ice.
ВВЕДЕНИЕ
Среди субъектов РФ наибольший запас древесины приходится на территорию Красноярского края (11 700 млн м3) и Иркутской области (9 000 млн м3).
Ежегодно в этих субъектах заготавливается порядка 13 млн м3 и 22 млн м3, соответственно для Красноярского края и Иркутской области. Интенсивный рост объема сортиментной заготовки древесины и строи-
тельство крупных лесоперерабатывающих предприятий неизбежно повысит спрос на водный транспорт леса в плотах. В силу ограниченности периода навигации ледовым режимом лесоперерабатывающие предприятия вынуждены везти свою продукцию наземным транспортом, несмотря на огромные расстояния, увеличивая тем самым транспортные расходы в себестоимости продукции до 50 %.
Продление сроков навигации возможно за счет организации лесосплавных работ в ледовых условиях в ранневесенний и позднеосенний периоды навигации [5-8]. В связи с этим возникает необходимость аналитического и экспериментального исследования закономерностей движения плота в ледовом канале.
Цель исследования - Провести анализ полученных результатов экспериментального исследования полного ледового сопротивления, сопротивления воды, чистого ледового сопротивления движению плота в зависимости от длины плота, толщины льда, скорости буксировки, отношения ширины канала к ширине плота.
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ
ИССЛЕДОВАНИЯ
В период ранневесенней и позднеосенней навигации ледовые условия изменяются вследствие изменения гидрометеорологических условий лесосплавного пути, поэтому условно можно выделить три режима движения плота:
1. Движение плота в мелкобитых льдах.
2. Движение плота в ледовом канале (Вк > Впл).
3. Движение в условиях доламывания кромок льда плотом (Вк < Впл).
Движение в широком канале (Кв = Вк/Впл ~ 2) по характеру не отличается от движения в поле битого льда [5], в связи с чем принято ограничение проведения исследований в условиях движения плота в ледовом канале Кв = Вк/Впл < 2 и Вк < Впл. Исследования движения плота в ледовом канале шириной большей ширины плота (Кв = Вк/Впл < 2) проведены в гидролотке кафедры использования водных ресурсов СибГТУ города Красноярска с использованием полиэтилена высокого давления, в качестве материала имитирующего битый лед [5]. Аналогичные исследования проводились в полевых условиях с натурным льдом (56°01'43'ЪТ 92°56'47"Б) [1]. Исследования движения
Уровни и интервалы варьирования факторов
плота в ледовом канале Вк < Впл проводились в ледовом бассейне Арктического и Антарктического научно-исследовательского института города Санкт-Петербург [3; 4].
Функциями отклика во всех исследованиях связывающие входные параметры, с варьируемыми переменными, являются [2; 3]:
- полное ледовое сопротивление (Ял), Н;
- сопротивление воды (Яв), Н;
- чистое ледовое сопротивление (Ят), Н; Яш = Ял - Яв.
В качестве входных регулируемых параметров
приняты (см. таблицу):
- длина сегмента плота (¿пл);
- толщина битого льда в канале (Нл);
- скорость буксировки сегмента плота в ледовом канале (Цпл);
- отношение ширины канала к ширине сегмента плота (Кв).
Модельные пределы изменения управляемых факторов приняты с учетом (см. таблицу): рекомендуемых скоростей буксировки плота (г)ш = 0,5-2 м/с); ограниченности лабораторных условий (¿пл = 0,8-2,4 м); теоретического анализа процесса установившегося движения плота в ледовом канале (КВ = 1,2-2); соответствия оптимальным толщинам льда для организации лесосплавных работ в период продленной навигации (Ил = 0,1-0,4 м).
По результатам исследования зависимостей Ял, Яв, Яш от ¿пл, Нл, ипл, Кв при Вк > Впл получены графики и выводы (рис. 1-4):
1. При изменении длины модели ¿пл от 0,8 до 2,4 м полное ледовое сопротивление Ял увеличивается на 36,4 % (на 32 % для ПВД).
2. При изменении толщины льда Ил от 0,007 до 0,017 м полное ледовое сопротивление Ял увеличивается в 2 раза (на 39 % для ПВД).
3. При изменении скорости буксировки ипл от 0,1 до 0,3 полное ледовое сопротивление Ял увеличивается в 6 раз (в 4,5 раза для ПВД).
4. При изменении отношения ширины канала к ширине модели Кв от 1,2 до 2 полное ледовое сопротивление Ял уменьшается на 25,5 % (на 37 % для ПВД).
По результатам исследования зависимостей Ял, Яв, Ялч от Нл, ипл, при Вк < Впл получены графики (рис. 5, 6).
Управляемые факторы Вк > Впл Вк < Впл в 2 раза
Скорость буксировки модели ипл, м/с Длина модели ¿пл, м Отношение ширины канала к ширине модели КВ Толщина льда Нл, м Цпл, м/с Нл, м
Уровни -1 0,1 0,8 1,2 0,007 0,1 0,015
0 0,2 1,6 1,6 0,012 0,2 0,0185
+1 0,3 2,4 2 0,017 0,3 0,022
Интервал варьирования 0,1 0,8 0,4 0,005 0,1 0,0035
Контролируемые факторы, Н Яв - усилие буксировки плота по чистой воде. Ял - полное ледовое усилие буксировки плота в ледовом канале. Ялч - чистое ледовое сопротивление установившемуся движению плота в канале (Ялч = Ял - Яв)
Функциональные зависимости Ял = / (ипл, ¿пл, КВВ Нл); Ялч = / (ипл, ¿пл, К , Нл); Яв = /(ипл, ¿пл, КВ, Нл). Ял = /(ил, Нл); Ялч = /(ил, Нл); Яв = /(ипл, Нл).
Рис. 1. График зависимости Ял, Яв, Ялч от Ьп
Рис. 2. График зависимости Ял, Яв, Ялч от кл
К
в
о &
о
и
б е
к
--гг.*- ■
0,1 0,2 Скорость буксировки
■ВДПВД)
Ял(нат)
> ав(ПБД) ■ Яв(нат)
0,3
• Е1лч( ПВД} ■ " Ллч(нат)
Рис. 3. График зависимости Ял, Яв, Ялч от ип
Рис. 4. График зависимости Ял, Яв, Ялч от Кв
Скорость буксировки ипл, м/с
■ РЫДАНИИ)
адААНИИ)
Ялч(ААНИИ)
Рис. 5. График зависимости Ял, Яв, Ялч от ипл (моделированный лед ААНИИ)
По результатам графиков (рис. 5, 6) получены следующие выводы.
1. При скорости буксировки ипл от 0,1 до 0,3 полное ледовое сопротивление Ял увеличивается на 73,4 %, при этом Ялч составляет 93,7-98,2 % от Ял.
Рис. 6. График зависимости Ял, Яв, Ялч от Нл (моделированный лед ААНИИ)
2. При изменении толщины льда Нл от 0,015 до 0,022 м полное ледовое сопротивление Ял увеличивается в 2,1 раза, при этом Яш составляет 98,2-99,2 % от Ял.
Использование натурального льда позволило получить результаты максимально приближенные
к натурным условиям буксировки плота в ледовых условиях. Результаты буксировки плота в условиях доламывания канала буксируемым плотом превышают значения усилия буксировки по чистой воде десятикратно, что свидетельствует о необходимости пересмотра конструкции носовой части плота.
Усилие буксировки плота в ледовых условиях будет отличным от усилия буксировки по чистой воде
Я
на величину Кл = —л. На рис. 7, 8 представлены граЯв
фики зависимости Кл от наиболее значимых факторов буксировки плота в период ледового режима: Нл, ипл, построенные по ранее полученным уравнениям регрессии [2; 3]. Расчеты проводились на примере Ангарского плота ЬхБхТ, м (600x22x0,7) при усредненном значении Кв = 1,6.
По результатам пересчета результатов тягового усилия буксировки с модели на натуру получены следующие выводы.
1. При изменении толщины льда Ил от 0,1 до 0,4 м коэффициент ледового сопротивления Кл изменяется от 1,2 до 3,6.
2. При изменении скорости буксировки ипл от 0,4 до 1,2 м/с коэффициент ледового сопротивления Кл изменяется от 1,2 до 2,8.
Рис. 7. График зависимости Кл от Нл
Рис. 8. График зависимости Кл от ип
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Определено количественное и качественное влияние входных факторов в виде графических зависимостей тягового усилия от длины модели, толщины льда, скорости буксировки, отношения ширины ледового канала к ширине плота. Наибольшее влияние на ледовое сопротивление оказывают толщина льда и
скорость буксировки. Графически представлены результаты тягового усилия, пересчитанные на натуру в виде коэффициента ледового сопротивления. Полученные зависимости позволяют количественно определять степень влияния входных факторов, на общее ледовое сопротивление.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЕ ССЫЛКИ
1. Злобин А. А., Максимова Е. М. Проведение эксперимента в полевых условиях по определению сопротивления битого льда движению плота // Новые идеи нового века : материалы Междунар. науч. конф. Хабаровск, 2013. Т. 2. С. 288-293.
2. Злобин А. А., Корпачев В. П., Ушанов С. В. Обработка опытных данных сопротивления битого льда движению плота в условиях продленной навигации // Фундаментальные исследования. М. : Академия естествознания, 2013. № 10, ч. 5. С. 978-981.
3. Злобин А. А. Результаты исследования ледового сопротивления движению плота в условиях доламывания кромок канала плотом // Фундаментальные исследования. М., 2014. № 10, ч. 2. С. 260-264.
4. Злобин А. А., Максимова Е. М. Исследование ледового сопротивления движению плота в ледовом бассейне ААНИИ // Молодые ученые в решении актуальных проблем науки : материалы Всерос. науч.-практ. конф. / СибГТУ. Красноярск, 2013. Т. 1. С. 119-122.
5. Злобин А. А., Максимова Е. М. Проведение экспериментов по определению сопротивления битого льда движению плота в условиях продленной навигации на внутренних водных путях // Экология, рациональное природопользование и охрана окружающей среды : сб. ст. по материалам II Всерос. науч.-практ. конф. / СибГТУ. Лесосибирск, 2012. С. 260262.
6. Зуев В. А. Средства продления навигации на внутренних водных путях : монография. Л. : Судостроение, 1986. 208 с.
7. Корпачев В. П. Теоретические основы водного транспорта леса : монография. М. : Академия естествознания, 2009. 237 с.
8. Пат. 2554727 Российская Федерация МПК В63В35/00. Способ проводки древесины в плотах в период ледового режима на внутренних водных путях [Текст] / Корпачев В. П., Злобин А. А., Ушанов С. В., Андрияс А. А., Пережилин А. И., Максимова Е. М., Меньшиков Д. А.; заявитель и патентообладатель Сиб. гос. техн. ун-т. № 2014110837/11 ; заявл. 20.03.2014; опубл. 27.06.2015. Бюл. № 35. 5 с.
REFERENCES
1. 21оЫп А. А., Макшшоуа Е. М. Provedenie ек^репшеШа V po1evykh us1oviyakh ро oprede1eniyu 8орго1Метуа bitogo 1^а dvizheniyu р1о1а // Novye idei novogo veka : шateria1y Mezhdunar. паисЬ коп£ ^аЬа^8к, 2013. Т. 2. 8. 288-293.
2. г1оЬш А. А., Korpachev V. Р., Ushanov 8. V. Obrabotka оруШУ^ dannykh soprotiv1eniya bitogo 1^а dvizheniyu рЫа v us1oviyakh prod1ennoy navigatsii //
Fundamental''nye issledovaniya. M. : Akademiya estestvoznaniya, 2013. № 10, ch. 5. S. 978-981.
3. Zlobin A. A. Rezul'taty issledovaniya ledovogo soprotivleniya dvizheniyu plota v usloviyakh dolamyvaniya kromok kanala plotom // Fundamental'nye issledovaniya. M., 2014. № 10, ch. 2. S. 260-264.
4. Zlobin A. A., Maksimova E. M. Issledovanie ledovogo soprotivleniya dvizheniyu plota v ledovom basseyne AANII // Molodye uchenye v reshenii aktual'nykh problem nauki : materialy Vseros. nauch.-prakt. konf. / SibGTU. Krasnoyarsk, 2013. T. 1. S. 119122.
5. Zlobin A. A., Maksimova E. M. Provedenie eksperimentov po opredeleniyu soprotivleniya bitogo l'da dvizheniyu plota v usloviyakh prodlennoy navigatsii na vnutrennikh vodnykh putyakh // Ekologiya, ratsional'noe prirodopol'zovanie i okhrana okruzhayushchey sredy : sb.
st. po materialam II Vseros. nauch.-prakt. konf. / SibGTU. Lesosibirsk, 2012. S. 260-262.
6. Zuev V. A. Sredstva prodleniya navigatsii na vnutrennikh vodnykh putyakh : monografiya. L. : Sudostroenie, 1986. 208 s.
7. Korpachev V. P. Teoreticheskie osnovy vodnogo transporta lesa : monografiya. M. : Akademiya estestvoznaniya, 2009. 237 s.
8. Pat. 2554727 Rossiyskaya Federatsiya MPK V63V35/00. Sposob provodki drevesiny v plotakh v period ledovogo rezhima na vnutrennikh vodnykh putyakh [Tekst] / Korpachev V. P., Zlobin A. A., Ushanov S. V., Andriyas A. A., Perezhilin A. I., Maksimova E. M., Men'shikov D. A.; zayavitel' i patentoobladatel' Sib. gos. tekhn. un-t. № 2014110837/11 ; zayavl. 20.03.2014; opubl. 27.06.2015. Byul. № 35. 5 s.
© Корпачев В. П., Асмус А. А., 2017
Поступила в редакцию 08.08.2016 Принята к печати 28.12.2016
