История развития лесного комплекса неразрывно связана не только с совершенствованием орудий труда и механизмов для заготовки древесины, но и с совершенствованием технологий транспортировки круглой древесины. На первоначальных стадиях развития лесозаготовительной промышленности лесосплав был почти единственным средством транспортировки лесоматериалов. Развитию водного транспорта леса способствовали большие расстояния перевозки древесины, дешевизна этого способа транспортировки и наличие развитой речной сети. Экономичность данного способа доставки леса объясняется рядом преимуществ относительно железнодорожного и автомобильного транспорта, такими как использование энергии потока и естественных водных путей, кроме того, водный транспорт требует меньших первоначальных капиталовложений, удельных расходов металла и топлива на сопоставимый объем перевозок. Более 60 % всего заготавливаемого леса вывозится к водным путям для дальнейшей доставки его в районы потребления лесоматериалов, поэтому большинство перерабатывающих предприятий спроектированы на прием древесины с воды [11, 13, 3, 17, 20].
На сегодняшний день для многих лесных регионов транспорт леса по воде остается единственным видом транспорта. Из 130 млн. м3 заготавливаемой ежегодно в последние годы древесины до 30 % объема доставляется водным путем [11, 10]. Наиболее распространенным видом водного транспорта леса является плотовой лесосплав, на его долю приходится порядка 64–66 % круглой древесины от общего объема круглого леса, доставляемого по водным магистралям [18, 16].
Наиболее существенным недостатком водного транспорта леса является сезонность работ. Зимой внутренние водные пути замерзают, в результате чего лесосплавные работы приостанавливаются. Продолжительность периода, когда лесосплавные магистрали свободны ото льда, колеблется для большей части территории России от 170 до 260 дней. Перерыв навигации в связи с замерзанием рек длится от 3 до 6 месяцев [3, 2, 15].
Такой перерыв в лесосплаве на длительный срок заставляет создавать обширные склады для хранения лесоматериалов, как предназначенных к сплаву, так и выгружаемых в конечных пунктах приплава. В создавшихся условиях лесозаготовители вынуждены везти свою продукцию наземным транспортом, несмотря на огромные расстояния. Таким образом, транспортные расходы в себестоимости продукции могут доходить до 50 % в результате чего лесозаготовители часто не окупают свои затраты, а у переработчиков возникают проблемы с реализацией продукции.
При современном уровне развития средств и методов борьбы со льдами срок навигации на внутренних водных путях можно продлить, осуществляя буксировку древесины в период ледового режима [11, 8]. Потребность в круглогодичной навигации возникла еще в первой половине 19 века, за более чем полуторавековую историю был сделан ряд революционных прорывов не только в области ледоколостроения, но и в области изучения свойств льда и его ослабления при помощи различных реагентов. Россия с более чем вековой историей работы в ледовых условиях имеет огромный опыт в изучении особенностей ледового плавания [19, 2, 7]. В 80-е годы перед Министерством речного флота РСФСР была поставлена задача расширения области применения имеющихся ледокольных средств для обеспечения круглогодичной навигации на внутренних водных путях страны. Технические средства борьбы со льдом должны не только разрушать лед и создавать судоходный канал, но и осуществлять раннее вскрытие отдельных участков рек и водохранилищ, что приведет к продлению навигации, а также к предотвращению заторных явлений [7].
В связи с этим возникает необходимость аналитического и экспериментального исследования закономерностей движения плота в ледовом канале.
Цель исследования – изучить взаимодействие плота со льдом.
Наблюдения за процессом движения плота имеют важное значение при изучении ледового сопротивления. Исследования движения плота в ледовом канале шириной большей ширины плота проводились в гидролотке кафедры использования водных ресурсов СибГТУ города Красноярска с использованием полиэтилена высокого давления, в качестве материала, имитирующего битый лед [6]. Аналогичные исследования проводились в полевых условиях с натурным льдом (56°01′43′′N 92°56′47′′E) [4].
Как правило, максимальная ширина ледокола составляет не более 10 м, ледовый канал проложенный таким ледоколом будет составлять в среднем 11 м. Если же прокладку канала в ледовом поле осуществлять при помощи состава из буксировщика и ледокольно-ледоочистительной приставки, то ширина канала может доходить до 20 метров. При этом ширина стандартного плота для рек Ангара и Енисей составляет 22 и 44 м соответственно. При таких условиях буксировка возможна при условии доламывания кромок канала плотом (рис. 1).
Рис. 1. Доламывание кромок ледового канала Bк < Впл плотом при его буксировке: 1 – сплошной не разрушенный лёд; 2 – ледовый канал; 3 – битый лёд; 4 – сегмент плота; 5 – буксировочный трос
Последующая буксировка плота будет осуществляться в условиях движения в ледовом канале шириной большей ширины плота. В силу ограниченности условий проведения опытов была взята модель сегмента плота масштабом 1:15 с линейными размерами L×B×T (2,4×0,6×0,1 м), где L – длина сегмента плота; B – ширина сегмента плота; T – осадка сегмента плота. Гидродинамические условия смоделированы с учетом критерия подобия Фруда [9].
Наблюдения показали, что во время движения плота в сплоченных битых льдах ледового канала наибольшие усилия расходуются на буксировку пыжа битого льда в носовой части плота и преодоление сил трения льда о боковые поверхности плота, которые составляют значительную площадь трения битого льда о плот (рис. 2).
Рис. 2. Движение плота в мелкобитых льдах: 1 – сортиментный плот; 2 – мелкобитый лед; 3 – зона возмущения
Ширина зоны возмущения в носовой части плота составляет в среднем длину пучка ±5 %. Движение в широком канале (Вк/Впл ≈ 2) по характеру не отличается от движения в поле битого льда. При уменьшении ширины канала его края препятствуют перемещению льда, но в то же время масса льдин, приводимых в движение, уменьшается, что влияет на сопротивление. При критической ширине канала (1,5Впл) возможен эффект сжатия («буферный эффект»). Дальнейшее увеличение ширины канала приводит к снижению чистого ледового сопротивления [7]. Исследования влияния изменения осадки на скорость плота в битых льдах, показали, что изменение осадки от 0,5 до 0,7 м не оказывает практически ни какого влияния на ледопроходимость плота и на его скоростные характеристики.
В условиях движения плота в ледовом канале Впл > Вк плот, вступая в контакт со льдом, сминает кромку ледяного поля и изгибает его (рис. 3) [5]. Нормальное давление плота на лед возрастает по мере продвижения его вперед. Это происходит до тех пор, пока изгибные напряжения в ледяном поле не достигнут предела прочности и не возникнет первая радиальная трещина. При её появлении происходит перераспределение напряжений в ледяной пластине, после чего образуются еще одна или несколько радиальных трещин. Изгиб происходит до тех пор, пока не наступит пролом льда по ближайшей к плоту концентрической трещине [14, 12, 1].
Затем в контакт со льдом вступают боковые продольные плоскости плота, которые последовательно выламывают лед (в основном по линиям трещин). В местах контакта плота со льдом происходит местное смятие кромки ледяного покрова. Выломанные льдины поворачиваются и притапливаются плотом, часть льда подсовывается под кромку канала, часть нагромождается на носовую часть плота и кромку канала. В канале при этом остается до 30 % битого льда.
Рис. 3. Схема взаимодействия плота с кромкой ледового канала: 1 – сегмент плота; 2 – кромка канала
Выводы
Полученные результаты могут быть использованы для более полного понимания и объяснения изменения усилия буксировки плота в ледовом канале. Исследования показали, что форма носовой части плота имеет ряд недостатков при буксировке плота в ледовом канале:
– битый лед, сосредоточенный в носовой части плота, создает дополнительное усилие буксировки плота;
– форма носовой части плота малоэффективна для расширения ледового канала;
– продолжительные динамические нагрузки ледяного покрова могут оказывать разрушительное воздействие на древесину.
Рецензенты:Полетайкин В.Ф., д.т.н., профессор, заведующий кафедрой технологии и машин природообустройства, ФГБОУ ВПО «Сибирский государственный технологический университет», г. Красноярск;
Лозовой В.А., д.т.н., профессор, заведующий кафедрой технологии и оборудования лесозаготовок, ФГБОУ ВПО «Сибирский государственный технологический университет», г. Красноярск.
Работа поступила в редакцию 26.02.2014.