с 01.01.2017 по настоящее время
Хабаровский край, Россия
Россия
УДК 63 Сельское хозяйство. Лесное хозяйство. Охота. Рыбное хозяйство
В статье представлены результаты исследований, посвященных альтернативному виду лесного транспорта на базе канатных комплексов, оснащенных мягкими пневматическими опорами. Актуальность исследований продиктована тем, что в настоящее время лесозаготовительные процессы смещаются с наиболее доступных лесных территорий на труднодоступные горные участки с характерными признаками экологической зависимости с плотным наличием водных объектов, таких как реки, озера, болота, которые в свою очередь также могут служить и транспортными коридорами для перемещения заготовленной древесины. Исходя из теоретических и экспериментальных исследований, авторами предложена технология,позволяющая эффективно и экологически безопасно вести заготовку древесины именно при наличии различных гидрологических преград, включая болота. Представлена технологическая схема использования канатных комплексов, конструкциямягкой пневматической опоры арочного типа, а также рабочий экспериментальный прототип данной лесотранспортной системы. Приведены результаты расчетов и примеры изополей деформаций, позволяющих оценить нагрузки, возникающие в конструкции арочной пневматической опоры в зависимости от массы удерживаемого груза и давления воздуха внутри опоры. Для моделирования процесса нагрузок использовался программный комплекс ЛИРА. Результаты исследований подтвердили возможность использования канатных лесотранспортных систем на мягких пневматических опорах в лесозаготовительном процессе.
канатные лесотранспортные системы, силовые надувные конструкции, водный транспорт леса, трелевка леса, мягкие пневматические опоры, канатная трелевка
Введение
В настоящеевременя область распространения лесозаготовительных операций планомерно смещается с наиболее доступных лесных территорий на лесосеки с характерными признаками труднодоступности и экологической зависимости, с плотным наличием на них рек, озер и болот, как правило, окруженных горными склонами с резким перепадом высот.
В данном случае технологические системы заготовки древесины, представленные обычными самоходными канатными установками или тракторными комплексами, специализированных для работы на крутых склонах, не до конца решают проблемы горных лесозаготовок и не обеспечивают эффективность лесозаготовительного процесса, как с технологической, так и с экологической точек зрения[1, 2, 11].
Опыт применения воздушных систем транспортировки древесины доказал технологическую и лесоводственную эффективность данных методов. Однако, если техническая изученность, например, вертолетных трелевочных систем очевидна и в большинстве случаев сводится к повышению экономической целесообразности выполняемых работ, то способы и механизмы на базе подвесных канатных комплексов, способных работать на крутых склонах и при этом преодолевать водные преграды, требуют дополнительного серьезного и разностороннего исследования, позволяющего более эффективно изучить и оценить их технологические и конструктивные особенности.
Материалы и методы
Проанализировав информацию в научных источниках [5, 6], можно констатировать тот факт, что значительные площади спелого древостоя сосредоточены не только на территориях с плотным наличием резко пересеченного рельефа и крутых склонов, но и в местах с частичным наличием сильно переувлажненных грунтов, заболоченности и топей (рис. 1).
Особенностью данных территорий является то, что основные площади, где произрастает качественный древостой, сосредоточены на крутых склонах, которые в нижней своей части часто соприкасаются с гидрологическими системами (болотами, речками), а также с морским побережьем.
По разработанной методике с использованием программ ArcGisv.10, ENVI был проведен анализ протяженности гидрологических систем по образующим склонам на примере отдельных горных районов Хабаровского края, которые в настоящий момент наиболее обеспечены запасом древесины хорошего качества. Результаты анализа показали возможность использования от нескольких десятков до нескольких сотен километров гидрологических систем в качестве транспортных коридоров для канатного и водно-канатного надувного транспорта. На рисунке 2 приведен пример результатов анализа по одному из горных участков Комсомольского района Хабаровского края.
Исходя из этого, целесообразно говорить об объединенной системе водных транспортных коридоров с учетом морских границ. Это даст возможность сформировать поэтапную транспортную сеть, которая включила бы в себя не только цикл трелевки и дополнительных переместительных операций, но и работы по загрузке крупнотоннажных речных и морских судов в местах, где нет оборудованных грузовых причалов или нет возможности подхода грузовой баржи близко к берегу.
Поиск технических решений по обеспечению заготовки древесины на площадях со слабыми несущими грунтами, а также для оперативной переброски заготовленной древесины в пределах лесосеки через водные преграды, осуществление её погрузки с необорудованных береговых территорий на водный транспорт, без использования кранового оборудования из-за наличия рифов или высокого берега, определил направления разработки лесотранспортных канатных систем на базе пневматических плавающих конструкций [7, 9, 10].
При этом, транспортировка древесины осуществляется подвесной канатной системой и самопередвигающейся радиоуправляемой грузовой кареткой, несущий канат которой, удерживается с помощью пневматических арочных опор, способных эксплуатироваться, как на грунтовой, так и на водной поверхности (рис. 3).
Результаты аналитических исследований авторов
Рис.1. Наличие в лесном фонде ДФО лесоэксплуатационных территорий с сильно переувлажненными и заболоченными участками, тыс.га.
Результаты аналитических исследований авторов с использованием программ ArcGisv.10, ENVI
Рис. 2. Плотность гидрологических систем по образующим склонам, км/1000 га
Разработка Абузова А.В., Абузов К.Р., патент №2531649 РФ, 2014 год.
Рис.3. Технологическая схема разработки лесосеки канатной лесотранспортной системой с одновременной обработкой склона и транспортировкой через водную преграду: 1 – береговая пневматическая опора; 2 – пневматическая плавающая опора; 3 – жесткие опоры; 4 – наземная лебедка; 5 – самопередвигающаяся каретка; 6 – несущий канат; 7 – пасека; 8 – водная преграда; 9 – погрузочный пункт.
Разработка Абузова А.В.
Рис. 4. Прототип экспериментальной модели канатного лесотранспортного комплекса на базе мягких пневматических конструкций
Основным элементом, описанных выше канатных лесотранспортных систем, способных перемещать груз через гидрологическую преграду, и требующего дополнительных исследований, являются мягкие пневматические опоры, которые в данном случае имеют арочный вид.
Результаты и обсуждение
Экспериментальные практические исследования в данной области, проводимые с использованием прототипов, результаты работы которых обрабатывались и сопоставлялись с теоретическими показателями, позволили выявить ряд особенностей, связанных с распространением деформационных нагрузок внутри пневматической арочной конструкции.
На рисунке 4 представлен прототип экспериментальной модели канатного лесотранспортного комплекса на базе мягких пневматических конструкций с радио дистанционно управляемой трелевочной кареткой. Данный прототип использовался для исследованиявопросов технологического применения, так и для изучения вопросов возникающих деформационных нагрузок.
По итогу комплекса проводимых работ, было предложено конструктивное решение, заключающееся в том, что в конструкцию пневматической арочной опоры были дополнены внутренние шаровые и торовые элементов, служащих демпфером и обеспечивающих одновременно жесткость и гибкость конструкции, а также устойчивость на водной поверхности (рис. 5).
Однако, определить деформации пневматических арок расчетным путем, учитывающим сопряжение и взаимодействие внутренних сфер, достаточно сложно из-за нестабильности и реологических свойств материала. Поэтому для реализации данной задачи использовался программный комплекс ЛИРА, в основу которого положен метод конечных элементов.
Разработка Абузова А.В., Абузов К.Р., патент №2531778 РФ, 2014 год.
Рис. 5. Общий вид пневматической плавающей конструкции
а) вид спереди; б) вид сверху:
1 – главная несущая конструкция, 2 – конусные сегменты, эллипсоидные чаши, 4 – упорные тяги, 5 – балластный отсек, 6 – несущий канат, 7 – г-образный башмак, 8 – демпфер, 9 – синтетические канаты, 10 – силовые стропы, 11 – шаровые надувные сегменты, 12 – воздушный клапан, 13 – полость, 14 – растяжки, 15 – клапан подкачки воздуха.
Пневматические арки с наличием внутреннего каркаса, состоящего из сопряженных между собой сфер равного напряжения, относятся к силовым пневматическим конструкциям, у которых изменение равновесного энергетического состояния сопровождается совершением механической работы [3, 4, 8]. Данная работа совершается натяжением поверхности при воздействии внешних факторов, за счет чего происходит растяжение не только внешней оболочки, но и перемещение сопряженных с ней и между собой внутренних сфер, которые в свою очередь могут играть роль амортизатора. Данное конструктивное решение позволяет противодействовать внешним силовым воздействиям и соответственно снимать, и перераспределять погонные растягивающие усилия, возникающие во внешней оболочке надувной арочной конструкции.
Основными параметрами, которые обеспечивают устойчивость арочных конструкций, являются внутреннее давление и диаметр сечения её основания. Основные габаритные размеры, такие как высота, ширина и радиус кривизны арки также будут зависеть от этих параметров.
Исходя из этого, пневматическая арка должна удовлетворять нескольким условиям, обеспечивающим её несущую способность [3, 4, 8].
I - условие кольцевой прочности:
PRm≤ [T2], (1)
где P – избыточное давление воздуха, одинаковое во всех сечениях арки; Rm– наибольший радиус кривизны сечения балки; T2– допускаемые кольцевые напряжения в материале.
II - условие продольной прочности:
(2)
где М – наибольший изгибающий момент в сечениях арки; T1– допускаемые продольные натяжения в материале; R – радиус сечения круглой балки.
III – условие складкообразования:
(3)
где I1– момент инерции сечения круглой балки относительно нейтральной оси сечения; Ω - площадь «воздушного» сечения круглой балки; S – периметр поперечного сечения балки; Q – нагрузка.
IV – условие устойчивости с учетом сдвигов:
(4)
где E’ – модуль упругости материала; lпр приведенная высота стойки арочной конструкции.
Для подтверждения улучшения устойчивости и уменьшения деформационных нагрузок в пневматических арках с внутренними сферами были смоделированы ряд ситуаций, согласно которым с использованием программного комплекса ЛИРА проведены расчеты в два этапа:
- расчет пневматических арок без наличия сфер для диаметров 1,5м, 2,5 м определяя только влияние внутреннего давления с учетом диаметра.
- расчет пневматической арки с наличием сфер для худшего результата, полученного предыдущими расчетами, определяя влияние использования сфер с учетом внутреннего давления.
Исходные данные для расчета пневматической арки с наличием внутренних сфер примем следующие:
- Диаметр кольцевого сечения арки – 1500 мм;
- Высота арки по наружной грани 10000 мм, по оси 9250 мм, по внутренней грани 8500 мм;
- Ширина арки по наружной грани 9000 мм, по оси 7500 мм, по внутренней грани 6000 мм;
- Диаметр внутренних сфер для учета сопряжения – 1560 мм;
- Груз 2000 кг, 3000 кг, 4000 кг, 5000 кг;
- Внутреннее давление 100 кПа, 300 кПа, 500 кПа.
Количество конечных элементов в расчетной схеме пневматической арки с внутренними сферами 7177, количество узлов в схеме 5159. Разбивка на конечные элементы принята в среднем 200х200 мм. Данная плотность разбивки позволит получить более детальную картину напряженно-деформированного состояния конструкции.
Сравнительные результаты расчетапневматической арки диаметром 1,5 метра с внутренними сферами и без при давлении 300 кПа, и массой удерживаемого груза 3000 кг, позволяющие сделать вывод о возможностях исследуемых пневматических арок с заданными размерами, сведены в таблицу 1. Пример моделирования нагрузок, возникающих в пневматической арке, представлены на рисунках 6 и 7.
Таблица 1
Результаты максимальных значений деформации конструкциипневматических арок
(Æ 1,5 – без внутренних сфер, Æ1,5с – с наличием внутренних сфер)
|
Давле-ние, кПа |
Груз, т |
Перемещенияпо z, мм |
Перемещенияпо х, мм |
Перемещенияпо у, мм |
Главныенапряжения N1, МПа |
Главныенапряжения N2, МПа |
|||||
|
Æ 1,5 |
Æ1,5с |
Æ 1,5 |
Æ1,5с |
Æ 1,5 |
Æ1,5с |
Æ 1,5 |
Æ1,5с |
Æ 1,5 |
Æ1,5с |
||
|
100 |
2 |
-59,7 |
-6,8 |
-60.5 |
-6.5 |
-41,8 |
-4.1 |
118 |
112 |
86.6 |
53 |
|
3 |
-94.7 |
-13.7 |
-91.5 |
-7.1 |
-58,3 |
-4.1 |
121 |
122 |
105 |
53 |
|
|
4 |
-130 |
-20.6 |
-122 |
-9.7 |
-74,8 |
-4.2 |
128 |
133 |
119 |
53 |
|
|
5 |
-165 |
-27.5 |
-153 |
-12.4 |
-91,3 |
-5.0 |
145 |
160 |
123 |
54 |
|
|
300
|
2 |
-38.3 |
-0.5 |
-55.5 |
-17 |
-78,5 |
-12.3 |
343 |
337 |
186 |
161 |
|
3 |
-73.3 |
-0.7 |
-86.5 |
-17.6 |
-86,1 |
-12.2 |
346 |
336 |
204 |
160 |
|
|
4 |
-108 |
-6.2 |
-117 |
-18.2 |
-94,2 |
-12.2 |
348 |
336 |
223 |
160 |
|
|
5 |
-143 |
-13.1 |
-148 |
-18.7 |
-108 |
-12.2 |
351 |
336 |
242 |
159 |
|
|
500 |
2 |
-16.9 |
-0.8 |
-50.5 |
-27.6 |
-126 |
-20.7 |
569 |
562 |
285 |
273 |
|
3 |
-51.9 |
-0.9 |
-81.5 |
-28.1 |
-129 |
-20.6 |
572 |
561 |
303 |
270 |
|
|
4 |
-87.0 |
-1.0 |
-112 |
-28.7 |
-135 |
-20.5 |
574 |
560 |
322 |
268 |
|
|
5 |
-122 |
-1.13 |
-143 |
-29.3 |
-143 |
-20.4 |
576 |
560 |
341 |
267 |
|
Результаты вычислений авторов
Результаты моделирования авторов с использованием программного комплекса ЛИРА
Рис.6. Пример изополей деформаций по оси z при давлении 300 кПа, нагрузка 3000 кг
Результаты моделирования авторов с использованием программного комплекса ЛИРА
Рис. 7. Пример изополей деформаций по оси х при давлении 300 кПа, нагрузка 3000 кг
Выводы
Проведенные исследования являются основанием для изучения вопросов внедрения в лесозаготовительный процесс данного вида транспорта, будущее использование которого продиктовано следующими факторами:
- использование пневматических конструкций позволяет повысить эффективность переместительных операций в пределах лесосеки, снизить затраты на покупку, эксплуатацию, хранение и сервисное обслуживание дополнительной наземной техники.
- возможность использования гидрологических систем (с учетом болот и не судоходных рек) в качестве транспортного коридора для подвесной трелевки и транспортировки древесины, что дает значительное сокращение времени и затрат на строительство временных лесовозных дорог (усов, веток) и подъездных путей;
- возможность использования гидрологических систем для оперативной доставки лесозаготовительной техники и рабочего персонала;
- возможность освоения ранее недоступных территорий;
- снижение экологических последствий на гидрологические системы по сравнению с молевым и плотовым сплавом древесины;
Анализируя полученные результаты расчета пневматических арок с диаметрами поперечного сечения 1,5 и 2,5 м с внутренним давлением 100, 300 и 500 кПа и вертикальной нагрузкой от крана в 2, 3, 4 и 5 т можно сделать следующие выводы:
- Использование внутренних сфер позволяет значительно снизить деформацию пневматической арочной конструкции, например, смещения по оси z, отражающие прогиб арки, снижаются при давлении 100 кПа в 6 – 8,78 раза, при давлении 300 кПа в 10,91 – 76,6 раза, при давлении 500 кПа в 21,13 – 108 раз;
- Использование внутренних сфер позволило снизить рекомендуемое рабочее давление до 250-300 кПа, что положительно отразится на ресурсе материала и сварных швов пневматической конструкции;
- На фоне значительного снижения деформации, но менее улучшившейся пространственной жесткостью (устойчивостью), которая характерна для арочной конструкции диаметром 2,5 м, можно рекомендовать увеличение диаметра сечения для арки диаметром 1,5 м, не изменяя общие габариты (высоту и ширину), что позволит добиться максимальной конструктивной и эксплуатационной эффективности.
1. Абузов А.В. Лесотранспортные системы: новые возможности и перспективы развития // Состояние лесов и актуальные проблемы лесоуправления: материалы Всерос. конф. с междунар. участием / отв. ред. А.П. Ковалев. – Хабаровск: Изд-во ФБУ «ДальНИИЛХ», 2013. – С. 101 – 104.
2. Герц Э.Ф. Вероятность повреждений деревьев в процессе трелевки при сплошных рубках. – Лесная промышленность, 2004. – № 2 – С. 13-14
3. Ермолов В.В. Пневматические конструкции воздухоопорноготипа. – М.: Стройиздат, 1973. – 288 с.
4. Жмурин И.П., Левкин В.С., Смирнова Л.Ф. Исследование динамических характеристик мягкой сферической оболочки в потоке воздуха. Труды ЦАГИ им. Н.Е. Жуковского. – 1973. – Вып.1496. – 15 с.
5. Ковалев А.П. Эколого-лесоводственные основы рубок в лесах Дальнего Востока. – Хабаровск: ДальНИИЛХ, 2004. 270 с.
6. Современное состояние лесов российского Дальнего Востока и перспективы их использования / Коллектив авторов / под редакцией А.П. Ковалёва. – Хабаровск: изд-во ДальНИИЛХ, 2009. – 470 с.
7. Стрельников Д.В., Бачище А.В. Оценка адаптивности привода слежения судовой подвесной канатной дороги / Проблемы водного транспортаРоссийской Федерации. – Москва: Транспортное дело России, 2003. - Спецвыпуск. – 152 с.
8. Магула В.Э. Судовые эластичные конструкции. – Ленинград: Изд-во «Судостроение», 1978. 132 с.
9. Патент 2531649 Российская Федерация, МПК7 В63В 35/00, В63В 27/30, В61В 7/06. Способ транспортировки древесины с использованием надувных плавающих опор / Абузов А.В., Абузова К.Р.; Заявитель и патентообладатель Тихоокеанский государственный университет. – № 2013121242/11; заявл. 07.05.13. опубл.: 27.10.14. Бюл. № 30.
10. Патент 2531778 Российская Федерация, МПК7 Е04G 11/04, В63В 35/71, Е04Н 15/20. Надувная плавающая опора для удержания несущего каната / Абузов А.В., Абузова К.Р.; Заявитель и патентообладатель Тихоокеанский государственный университет. – № 2013121199/11; заявл. 07.05.13. опубл.: 27.10.14. Бюл. № 30.
11. Григорьев И.В., Рудов С.Е. Особенности эксплуатации колесных лесных машин в сложных почвенно-грунтовых и рельефных условиях // Forest Engineering: материалы научно-практической конференции с международным участием. 2018. – С. 67-71.
