Повышение экологической безопасности технологий освоения водных объектов на основе вездеходной техники

Самойленко, Дмитрий Валерьевич

Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему
Повышение экологической безопасности технологий освоения водных объектов на основе вездеходной техники
ВАК РФ 03.00.16, Экология

Автореферат диссертации по теме "Повышение экологической безопасности технологий освоения водных объектов на основе вездеходной техники"

На правах рукописи

Самойленко Дмитрий Валерьевич

Повышение экологической безопасности технологий освоения водных объектов на основе вездеходной техники

Специальность 03.00.16 - «Экология» АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Йошкар-Ола 2005

Работа выполнена на кафедре водных ресурсов Марийского государственного технического университета

Научный руководитель Официальные оппоненты:

Ведущая организация

доктор технических наук, профессор Полянин А. Я.

доктор технических наук, профессор Киркин С.Ф.

кандидат технических наук, доцент Введенский О.Г.

Волжско-Камский научно-исследовательский институт лесной промышленности (ОАО ВКНИИЛП), г. Казань

Защита состоится «15» декабря 2005 г. в 9.00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.115.01 в Марийском государственном техническом университете по адресу: 424000, г. Йошкар-Ола, пл. Ленина, 3, конференц-зал.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Марийского государственного технического университета.

Автореферат разослан « // » ноября 2005 г

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор технических наук

Поздеев А.Г.

¿£06-У

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследований. Развитие законодательной базы России в направлении соблюдения экологической безопасности освоения природных ресурсов накладывает серьезные ограничения на использование существующих и разработку новых транспортных технологий. В первую очередь это касается транспорта грузов по водным магистралям и организации грузопотоков при пересечении водных объектов. Поэтому лесопромышленный комплекс испытывает сегодня значительные трудности в освоении лесных ресурсов, в том числе в перевозке лесных грузов и зачистке водных объектов от аварийной древесины.

Наметившийся в настоящее время переход от сплошных рубок, преобладавших в России до 1990-х годов, к выборочным делает строительство лесовозных дорог малорентабельным, а в ряде случаев -экономически нецелесообразным. В свою очередь, экологические ограничения по хозяйственному освоению водных объектов вывели малые и средние реки из разряда лесосплавных.

На фоне вышесказанного разрабатываются программы хозяйственного и рекреационного освоения территорий' с преобладанием лесных ресурсов и развитой сетью водных объектов.. Существующие транспортные технологии при отсутствии оборудованных дорог не способны решить поставленные задачи без нанесения вреда природной среде. Это делает актуальной разработку новых экологически безопасных технологий, обеспечивающих транспорт лесных грузов и освоение аварийной древесины.

В настоящей работе рассматриваются транспортные технологии на основе вездеходной техники и механизмов, в конструкциях которых используются шины низкого давления, обеспечивающие значительное снижение удельной нагрузки на грунт, повышая тем самым экологическую безопасность транспортных работ. Одновременно в условиях преодоления водных преград при изменении глубин в широком диапазоне шины низкого давления могут быть использованы как искусственный подплав для лесотранспортных единиц. Следовательно, создается возможность непрерывного перемещения лесоматериалов по схеме «земля - вода - земля» без проведения перегрузочных операций.

Целью настоящей работы является разработка научных и практических основ для широкого применения новых экологически безопасных технологий транспорта

гг

ЭзЫ

БИБЛИОТЕКА 09

малых водных объектов. Для достижения поставленной цели сформулированы нижеследующие задачи:

1) произвести анализ и систематизацию существующих технологий транспортного освоения территорий с развитой сетью водных объектов;

2) разработать экологически безопасные технологии освоения водных объектов на основе очистки их от аварийной древесины и перевозки лесных грузов;

3) разработать измерительный комплекс для экспериментального исследования параметров перемещения лесотранспортных средств в водной среде и при выходе из воды на берег;

4) разработать рекомендации по экологически безопасным схемам использования и конструктивным особенностям транспортных средств для освоения водных объектов.

Исследования выполнены в Марийском государственном техническом университете.

Научная новизна заключается в разработке технологии транспортного освоения малых водных объектов при соблюдении экологической безопасности. Для этого:

• разработаны рекомендации по экологически безопасным схемам использования и конструктивным особенностям транспортных средств, обеспечивающих пересечение водных объектов;

• разработан измерительный комплекс с использованием компьютерных технологий для экспериментальных исследований параметров перемещения транспортных средств в водной среде и при выходе из воды на берег;

• исследованы гидродинамические характеристики грузовых платформ вездеходного модуля;

• разработаны рекомендации по использованию экологически безопасных транспортных технологий для хозяйственного освоения лесных территорий с разветвленной сетью водных объектов.

Методы исследования. В процессе проведения исследований были использованы теоретические и экспериментальные методы. Теоретические исследования основывались на использовании уравнений гидростатики и гидродинамики. Экспериментальные исследования проводились с использованием компьютерных технологий на моделях в масштабе моделирования 1:20.

Практическая значимость. Разработанные технологические схемы могут быть использованы:

• администратав шми органами управления и планирования

хозяйствеййой' дес&Й&ности; '

« / ... ( * • ' *

* «г

• учреждениями, занимающимися проектированием и изготовлением вездеходных машин и механизмов;

• производственными организациями, занимающимися транспортными перевозками на территориях с развитой сетью водных объектов.

Реализация результатов работы. Результаты работы используются в научном и образовательном процессах МарГТУ при изучении курсов «Комплексное использование и охрана водных ресурсов», «Гидравлика» и в выполнении НИР и НИРС.

Внедрение в производство. Получен акт о внедрении в учебный процесс результатов научных исследований в процессе подготовки диссертационной работы «Повышение экологической безопасности технологий освоения водных объектов на основе вездеходной техники» в МарГТУ.

Получены акты о решении внедрить разработанные в настоящей диссертационной работе технологии перемещения грузов с использованием вездеходной техники на двух предприятиях.

Публикации и апробации работы. Результаты диссертационной работы докладывались на Всероссийской научно-практаческой конференции «Рациональное использование водных ресурсов в системе управления регионом» (Йошкар-Ола, 2001), на научной конференции по итогам научно-исследовательской работы Марийского государственного технического университета (Йошкар-Ола, 2003), на Всероссийской междисциплинарной научной конференции «Глобализация и проблемы национальной безопасности России в 21 веке» (Йошкар-Ола, 2003). Материалы диссертации опубликованы в б научных статьях.

Достоверность результатов. Достоверность результатов основывается на достаточном объеме экспериментального материала и его обработке с применением компьютерных информационных технологий. Приборы, использованные в лабораторных экспериментах, прошли тарировку.

Результаты исследований, изложенные в работе, не противоречат известным положениям гидромеханики, базируются на доказанных законах процесса движения объектов в жидкости.

Личный вклад автора:

• разработаны рекомендации по экологически безопасным схемам и конструктивным особенностям транспортных средств, обеспечивающих пересечение водных объектов;

• исследованы гидродинамические характеристики грузовых платформ вездеходного модуля;

Положения, выносимые на защиту:

1) схемы вездеходных модулей для экологически безопасного транспорта лесных грузов на территории расположения малых водных объектов;

2) теоретическая модель процесса выхода вездеходного модуля из воды на берег;

3) измерительный комплекс для экспериментальных исследований выхода модели из воды на берег;

4) результаты экспериментальных исследований перемещения моделей вездеходных модулей из воды на берег.

5) экологически безопасные транспортные технологии для хозяйственного освоения лесных территорий с разветвленной сетью водных объектов.

Структура и объем работы. Работа состоит из введения, четырех глав, основных выводов и рекомендаций, списка использованной литературы (110 наименований), 3 приложений, 21 таблицы, 94 рисунков. Объем основной части работы без приложений составляет 144 с.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность исследования, сформулированы цель, задачи, предмет и объект исследования, показана научная новизна и практическая значимость полученных результатов.

В первой главе - «Актуальность совершенствования и разработки новых транспортных технологий освоения водных объектов» -обозначены условия экологической безопасности водных объектов, их водоохранных зон и прибрежных защитных полос, вовлекаемых в хозяйственную деятельность; проведен анализ состояния водных объектов, расположенных на территориях с преобладанием лесных ресурсов. Проведен анализ лесных ресурсов, расположенных в зоне малых водных объектов, и аргументирована необходимость вывозки и утилизации аварийной древесины для хозяйственного освоения территории с использованием экологически безопасных транспортных технологий (рис.1).

Рис 1 Участок реки, захламленный аварийной древесиной и выведенный из рекреационного и хозяйственного освоения

Рассмотрены техника и технологии, используемые для транспорта лесных грузов на территории расположения малых водных объектов. По результатам обзора выделен ряд транспортных машин, которые отвечают высоким требованиям по проходимости и экологичности, а также выделены перспективные направления организации транспорта лесных грузов в условиях бездорожья.

Направление совершенствования любых технологий определяется, как правило, целью, которую хотят достичь в результате этого совершенствования. Жизненный цикл развития вездеходной техники практически всегда был нацелен на преодоление бездорожья любой ценой. Задачи, которые решались при этом, отодвигали на второй план проблемы природы, проблемы ее экологической защиты. В расчетах рентабельности использования вездеходной техники обходили стороной потери в экологическом балансе используемых территорий.

Сегодня, совершенствуя вездеходную технику и технологии ее применения на практике, необходимо целенаправленно повышать их экологичность. Поэтому необходимо вносить конструктивные изменения, позволяющие снижать или устранять разрушение поверхностного покрова грунта при движении вездеходной техники. При этом совершенствование технологий транспортных процессов должно преследовать те же цели.

Во второй главе - «Разработка экологически безопасных средств транспортировки лесных грузов на базе йездеходных машин и механизмов» - рассматривается разработка экологичных вездеходных

транспортных средств, использование которых требует, как правило, решения ряда задач:

1) при увеличении грузоподъемности вездехода сохранение допустимой удельной нагрузки на грунт, предотвращающей его разрушение и способствующей сохранению экологической среды;

2) при увеличении полезной грузоподъемности вездехода «сдерживание» веса энергетических блоков (двигателя и приводных механизмов);

3) при увеличении проходимости вездехода обеспечение минимального разрушения грунта, как дна водоема, так и прибрежной полосы в соответствии с требованиями экологической безопасности водоохранных зон;

4) обеспечение экологически безопасного гарантированного выхода вездехода из воды на берег;

5) устранение непредвиденных аварийных ситуаций при транспортировке груза силами группы сопровождающих рабочих.

В настоящей работе поставленные выше задачи решены посредством создания вездеходных модулей, состоящих из вездехода и грузовых платформ на шинах низкого давления, укомплектованных устройствами, обеспечивающими экологически безопасный гарантированный выход из воды на берег.

Полезная грузоподъемность вездехода ограничивается двигателем, вспомогательным оборудованием и кабиной для водителя и рабочего оператора. Вспомогательное оборудование состоит: из грузового манипулятора (для загрузки и разгрузки платформ), системы приводных от двигателя лебедок для перемещения вездехода и грузовых платформ, при необходимости - агрегата для выработки и передачи приводной энергии на грузовые платформы. Этот же агрегат может быть

4 - лебедки, 5 - транспортная платформа, 6 - груз

Таким бб^азом, все колесные пары модуля будут не только вездеходными, но и полноприводными, что максимально улучшит

сцепление с грунтом. При перемещении модуля (автопоезда) из воды на берег, он может расчленяться на отдельные элементы и «выкатываться» из воды на берег с использованием лебедок вездехода ( независимо от количества грузовых платформ). В условиях необорудованного берега (в том числе покрытого травяной растительностью) вездеход тоже может перемещаться накатом, зацепившись за анкерную опору на берегу. После этого вездеход с использованием кормовых лебедок перемещает на берег остальные грузовые платформы.

При перевозке грузов вездеходные машины могут быть использованы в составе автопоездов. При этом одна машина может перемещать группу грузовых прицепов (грузовых тележек). Анализ проблем движения автопоездов приводит к перспективному решению -обеспечению энергопривода на все колеса, как головной машины, так и всех грузовых тележек.

Одной из задач настоящей работы является разработка и обоснование кинематических схем управления движением вездеходного модуля в условиях преодоления водных преград. При этом

1) разработана конструкция вездеходного модуля с определением основных его параметров;

2) обоснована рациональная схема энергоприводных механизмов;

3) построена компьютерная модель вездеходного модуля с целью компоновки отдельных элементов и узлов;

4) обоснованы кинематические схемы вездеходного модуля.

В диссертационной работе разработаны и обоснованы 3 кинематические схемы управления движением вездеходного модуля в условиях преодоления водных преград. На рис. 3-5 показаны кинематические схемы трех вариантов привода.

Рис 3 Кинематическая схема вездеходного модуля без привода на прицеп 1 - двигатель, 2 - коробка передач, 3 - распределительная коробка, 4 - 6 - ведущие мосты

Рис 4 Кинематическая схема вездеходного модуля с механическим приводом на прицеп: 1 - двигатель, 2 - коробка передач, 3 - распределительная коробка, 4 - 8 - ведущие мосты

Рис 5 Кинематическая схема вездеходного модуля с приводом на все колеса вездеходного модуля: 1 - двигатель, 2 - гидростанция, 3 - распределительное устройство, 4 - каждое колесо приводится в движение гидромотором

Исследование гидродинамических характеристик плавающих вездеходных машин (платформ)

Выход из воды на берег является наиболее трудным этапом пересечения вездеходной техникой водных объектов. Это связано с тем, что в процессе выхода на берег силы сопротивления движению различной природы часто превышают силы тяги, которые создаются сухопутным и (или) вездеходным движителями.

Анализ процессов, происходящих при взаимодействии вездеходных (плавающих) машин с водой и грунтом, в том числе по результатам установочных экспериментов, и изучении литературных источников указывает, что существенное влияние на весь процесс выхода оказывают углы уклона подводной части берега и его части, расположенной выше уреза воды, а также вид, состояние и характеристики грунтов, определяющие значения коэффициентов сцепления <р и коэффициентов сопротивления качению /.

В настоящей работе предлагается максимально снизить влияние коэффициента сцепления колес вездехода с фунтом, используя при движении грузовых платформ автопоезда лебедочные системы ведущего вездехода, предварительно выдвигаемого на берег и зафиксированного на берегу (в том числе с помощью анкерных опор).

На основе проведенных рассуждений рассмотрим подходы к математическому моделированию динамики выхода на берег вездехода или плавающей машины (рис 6).

Рис. 6. Расчетная схема выхода на берег колесной плавающей машины: 1 - двигатель, 2 - колесный движитель, 3 - водоходный движитель, Ак - точка контакта переднего моста с берегом

Приведем основные допущения, обеспечивающие формулировку математической задачи:

1) движение объекта исследования происходит в вертикальной продольной плоскости симметрии самого объекта. Объект выходит на берег из воды со спокойной поверхностью;

2) профиль берега предполагается плоским и характеризуется уклоном;

3) грунт берега предполагается недеформируемым. В условиях использования шин низкого давления это реализуемо;

4) объект представляет собой совокупность твердых тел, соединенных между собой упругими элементами и амортизаторами. Относительные перемещения между ними ограничены геометрическими связями.

Дифференциальные уравнения движения вездехода из воды на берег получаем с помощью уравнений Лагранжа второго рода:

где Т - кинетическая энергия системы «машина-вода», О, -обобщенные координаты и силы, j =1-5-8.

За обобщенные координаты приняты следующие независимые величины:

• координаты точки С - центра подрессоренных масс машины в неподвижной системе хОу, Хс = я,, ус =

• дифферент корпуса у=я3;

• координаты неподрессоренных масс в подвижной системе х Су

У' =д1+3Л=1,..4;

• угол поворота колес у=я8.

Кинетическая энергия системы Т складывается из кинетических энергий машины Тм и воды - Тв.

Кинетическую энергию воды Т„ можно определить через обобщенные скорости системы с помощью присоединенных масс воды Я к ■ Тогда

Т = Тм+Тв=0,5^{а,к+Л^д1к, (2)

где а - коэффициенты инерции машины, зависящие только от ^ и

параметров машины.

Присоединенными массами неподрессоренных частей пренебрегаем. Из-за наличия двух плоскостей симметрии у дублированного тела (продольная вертикальная плоскость и плоскость свободной поверхности воды) от нуля отличны только четыре присоединенные массы: Я11,Л22,Л33,Я2}- В отличие от общепринятых

индексов для трехмерного движения значения индексов у Х,к берутся с учетом индексов соответствующих обобщенных координат.

Приняв допущение, что присоединенные массы воды в процессе выхода постоянны и будут учитываться только в начальный период выхода, когда осадка машины еще велика и действуют сравнительно большие угловые и линейные ускорения, можно считать присоединенные массы воды равными соответствующим величинам для машин на предельно малой глубине. Тогда после преобразования левых частей уравнений (1) с учетом (2) уравнения движения примут вид:

(3)

(а, +Я1У/ =(3| -ЫУ совд,£АГв*; +вшд3¿М.д^

V >=1 <=1

1=1

V 1=1 1=1

1=1

где - строка матрицы квадратичной

формы ; а[' - вектор обобщенных ускорений системы.

Уравнения можно разрешить относительно старших производных обобщенных координат и представить в форме уравнения Коши

ц" = |а]к + Х}к | Ь, где Ь - вектор правых частей уравнений.

Действующие на систему активные силы и моменты можно разделить на три группы. В первую группу следует отнести силы взаимодействия машины с водой, во вторую - силы взаимодействия колесного движителя с грунтом, в третью - остальные силы.

Сопротивлением воздуха Я, и моментом сопротивления Мс можно пренебречь, так как их влияние невелико по сравнению с другими силами. Это объясняется тем, что скорость машины при выходе на берег

не превышает 2,5 - 3,0 м/с, а угловая скорость корпуса в течении

значительной доли времени выхода не превышает 0,06 рад/с.

Сопротивление амортизаторов и трение в подвеске также можно не учитывать, так как скорости относительных перемещений неподрессоренных масс при выходе машины на берег невелики, и независимые подвески плавающих машин имеют небольшое трение без смазочного материала.

Обобщенные силы Qj в уравнениях можно найти, используя независимость координат q, , по формуле = Qj&ij, где SA} -элементарная работа всех активных сил при перемещении 8q¿. е, = Rc cosaR-Рвк cosq3 sina-(7; -Pjcosaj-7; со4?b + q3)

Kílk

Qi = DK -Gn + X{Dm -Gj + Rc sinaR + PBR sinq3 + + £ [//, cos a + (r, - Pfrl )sin a] + TB sin(ar + q3 >,

ielk

Q} =-dkK + ¿(A,, -Gmtx) cos?3 +<7,+3sin^-^+P^A, +Л/*. +

1=1

+Z К Iх' cos(a -4})-я,+3 sin(« - ь))+ fc - pfr, Xhsin a+q2cosa)+ мА 1+

reft

+ГА;

e,+3 = (G„, - )cos q3 - N, cos(e -q^-fc- Pfn )sin(fl - ^) + Py, i = l,...,4;

Qs=~Mк ~Y,(Mfi + T¡ré.)-MB"K /(ивЛк) + Меик,

i elk

где IK - множество осей машины, касающихся берега; aR - угол между

осью Ох и направлением Rc; ат - угол между осью Сх1 и направлением Тв;

hD,hR,hp,hT - плечи сил DK ,RC,PBK,TB - относительно точки С; ик,ив - передаточные числа приводов колесного и водоходного движителей; TjK,T]B - КПД приводов колесного и водоходного

движителей; rd¡ - динамический радиус колес.

Полученные уравнения движения допускают только численное решение с помощью ЭВМ. Данная задача имеет следующие особенности:

а) состав действующих на систему сил изменяется при контакте колес очередного моста с грунтом берега или при отрыве колеса;

б) следует учитывать различные режимы качения колес, так как при чистом качении колес, хотя бы одного моста, конфигурация

системы изменяется, что требует наложения дополнительных связей;

в) в случае импульсной силы тяги Т„_у необходимо перейти к решению уравнений с новыми начальными условиями.

Теоретические расчеты позволили определить диапазоны параметров выхода экспериментальных моделей из воды на берег и сформировать техническое задание на разработку измерительного комплекса для проведения экспериментальных исследований.

Экспериментальные исследования

Цели экспериментальных исследований:

• разработать измерительный комплекс для проведения экспериментальных исследований;

• провести экспериментальные исследования изучаемых явлений с обработкой и анализом полученных результатов.

Для достижения поставленных целей были решены 3 задачи.

Задача 1. Разработан измерительный комплекс (рис. 7), позволяющий регистрировать с высоким уровнем точности усилия, обеспечивающие перемещение модели в заданном режиме. Цифровой преобразователь комплекса позволяет выводить измеренные сигналы на компьютер и получать, как цифровую базу данных проведенных измерений, так и графическое изображение исследуемых параметров.

Рис 7 Общий вид измерительного комплекса: Р - приложенное усилие, 1 - рычаг, обеспечивающий уменьшение прилагаемого усилия, 2 - датчик, 3 - соединяющие провода, 4 - цифровой преобразователь, 5 - компьютер

Задача 2. Изготовлена лабораторная установка с размещением в гидролотке гидротехнической лаборатории.

Для проведения экспериментальных исследований в гидравлическом лотке гидротехнической лаборатории был создан модельный полигон в масштабе 1:20 по схеме (рис 8).

При этом предусматривается изменение угла наклона поверхности, имитирующей берег водоема, а = 0° - 18°. Привод обеспечивался механизмом, дающим устойчивые обороты при нагрузках, превышающих предельно запланированные в 5 раз. Обороты измерялись тахометром, прошедшим поверку.

1 - дно лотка, 2 - уровень воды, 3 - наклонная поверхность (угол о может менять свое значение), 4 - вспомогательный блок, 5 - приводной вал, 6 - модельный трос, 7 - модельная платформа с грузом

Задача 3. Изготовлены модели грузовых платформ. На одной из модельных платформ смонтированы элементы измерительного комплекса (рис.9).

Рис 9 Модельная грузовая платформа с элементами измерительного комплекса

Интегральный преобразователь силы закрепляется на отдельной модельной грузовой платформе.

Перед проведением каждой серии экспериментов, не реже одного раза в день, проводилась тарировка датчика. Устойчивость тарировочных характеристик подтверждает надежность измерительного комплекса.

Выходные данные, полученные с помощью измерительного комплекса, записываются в память компьютера. Помимо числовых значений строится графическая характеристика экспериментального опыта (рис. 10).

Рис 10. Вид графика на примере одного из опытов

График отображает все изменения силовой характеристики в процессе проводимого эксперимента. Визуально можно выделить пять основных зон.

I зона - начало движения модели, характеризующееся резким рывком; И зона - движение по горизонтальной поверхности;

III зона - касание передними колесами наклонной поверхности и начальный период выхода модели на сушу, сопровождающийся присоединенными массами воды;

IV зона - выход модели на наклонную поверхность до полного отрыва от водной поверхности;

V зона - выход модели из воды на берег с полным отрывом от водной поверхности.

Использование компьютерных технологий позволило провести более 300 опытов с обработкой в каждом из них до 1000 замеров.

В третьей главе - «Разработка экологически безопасных транспортных технологий для работы на малых водных объектах»-представлены теоретические расчеты водоходных движителей, расчеты

и анализ плавучести вездехода при разной компоновке, представлены технико-эксплуатационные характеристики вездеходных модулей.

При отработке транспортных технологий вездеходный модуль был представлен ведущим вездеходом, оборудованным манипулятором для грузоподъемных работ с комплектом технологической оснастки и двумя грузовыми платформами. Вездеход и платформы оборудованы шинами низкого давления. Общий вид модуля представлен на рис. 11.

^ _^ _У

,П1\п, I I

<) (У о по п

Рис. 11. Общий вид вездеходного модуля на шинах низкого давления 1 - вездеход, 2 - первая грузовая платформа, 3 - вторая грузовая платформа

Рассмотрим технологическую схему (рис. 12). Вездеход подходит к берегу, рабочие фиксируют трос лебедки, надежно закрепляя его (при помощи анкерной опоры, или за стационарный объект). После предварительной подготовки с помощью лебедочного механизма вездеход вместе с грузовыми платформами выходит на берег.

Рассмотрим технологическую схему (рис. 13). Вездеход освобождается от грузовых платформ (стравливая трос лебедки), выходит на берег (возможно, с помощью лебедки), при необходимости фиксируется анкерной опорой, после чего лебедкой перемещает платформы на берег. При этом, в зависимости от уклона берега или загрузки платформ, они могут перемещаться на берег по одной или вместе.

О о О (3

Рис. 13 Технологическая схема 2

Использование компьютерного измерительного комплекса для экспериментальных исследований показало его универсальность. Универсальность определяется тем, что эксперимент может быть проведен и в натурных условиях, после чего компьютерная программа с помощью бортового компьютера всегда «подскажет» оператору вездехода ожидаемые энергозатраты в лебедке при выходе на берег или рекомендуемую сщгость перемещения.

В ^с®я!и^' с * необходимостью обеспечения экологической безопасности предлагаемых способов перемещения вездеходного модуля, его маршрут должен быть заранее рассчитан с учетом особенностей рельефа территории и характера грунта.

При этом должны быть решены задачи:

• обеспечение минимального давления на грунт (возможно при использовании шин низкого давления и ограничении веса полезного груза);

• предотвращение разрушения кромки берега (возможно при выходе на пологий берег);

• предотвращение разрушения грунта дна водоема и берега (возможно при переходе на режим движения - выкатывание лебедкой).

Оборудованный маршрут предполагает установку в необходимых местах опор (в том числе анкерных) для фиксации троса лебедки. Поэтому на стадии подготовки к транспортному освоению территорий, имеющих водные объекты, необходимо провести их паспортизацию. Как правило, водные объекты имеют неоднородную структуру берегов. Высокие, иногда обрывистые берега, чередуются с пологими. Заболоченный вязкий грунт чередуется с песчаным, каменистым, заросшим растительностью. Основным транспортным препятствием при этом являются реки, потому что их мостовые переходы удалены друг от друга на десятки километров.

Равнинные реки лесных территорий имеют высокий уровень извилистости. Из этого следует, что чередование пологих и крутых берегов происходит на коротких отрезках русла. Это дает нам возможность войти и выйти из русла, используя только пологий берег. При этом технологически может быть выгодным чередование

сухопутных и водных участков для сокращения длины маршрута. Рассмотрим общую характеристику участка реки Большая Кокшага с примыкающей территорией в районе поселка Маркитан Республики Марий Эл. У поселка Маркитан, выше и ниже по реке, не менее чем на 30 километров, отсутствуют мостовые переходы и оборудованные переправы. В летний период река привлекает значительное количество туристов. Берега реки в указанном диапазоне имеют много естественных пляжей. В тоже время большая часть берегов покрыта аварийной древесиной (рис. 14). По обе стороны реки расположены значительные лесные массивы, имеющие много ручьев, стариц и заболоченных участков. Оборудованные автодороги отсутствуют. Перевести данную территорию в разряд рекреационных с использованием существующей транспортной техники без нарушения экологического баланса территории невозможно.

Рис 14 Участок реки будущей рекреационной зоны

Рассмотрим вариант технологии преодоления водных объектов на примере участка реки Большая Кокшага (рис. 15) выше пос. Маркитан. Выше по течению реки отмечена зона предполагаемого освоения аварийной древесины и выборочных рубок. Лесоматериалы, полученные от выборочных рубок, и аварийная древесина, собранная на берегу и в русле реки, загружаются на тележки вездеходного модуля. Модуль перемещается по руслу реки до промежуточного пункта выхода на берег или до пос Маркитан. При выходе из воды на берег в промежуточном пункте, модуль может по грунтовой дороге перемещаться в пункт перегрузки. Варианты маршрута определяются после оптимизации условий перемещения модуля. В промежуточном пункте выхода пологий песчаный берег, но необходимо расчистить грунтовый маршрут до пункта перегрузки груза. Он зарос кустарниками и мелколесьем. Если русло реки до пос. Маркитан будет предварительно расчищено, то проще переместиться по реке до поселка.

Выход на берег в этом месте будет осуществляться с малым уклоном по твердому грунту.

Рис 15 Примерная технологическая схема перемещений вездеходного модуля

В отличии от предлагаемой технологии транспортных работ, существующие технологии предусматривают оборудование временных лесовозных дорог значительной протяженности, что приводит к большим материальным затратам и нарушению экологического баланса.

В четвертой главе - «Эффективность применения разработанных технологий» - дается обоснование эффективности внедрения экологически безопасных транспортных технологий с использованием вездеходных модулей на шинах низкого давления. Они наиболее актуальны для территории с развитой сетью водных объектов. При использовании указанных технологий, в отличие от существующих, резко снижается разрушающее воздействие на природу. Особенно это проявляется при пересечении водных объектов, в первую очередь, при выходе транспортных машин из воды на берег. Способность вездеходных модулей перемещаться по руслу реки освобождает нас от строительства временных дорог и переправ, оборудование которых в настоящее время нерентабельно.

ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ

Анализ предлагаемой работы позволяет отметить положительные результаты, которые могут быть использованы в практической деятельности.

1. Анализ техники и технологий, предрасположенных к экологическому режиму эксплуатации позволил не только обозначить перспективные направления их конструктивных изменений, но и «подсказал» направления совершенствования технологических схем транспорта грузов.

2. Разработаны рекомендации по экологически безопасным схемам и конструктивным особенностям транспортных средств, обеспечивающих пересечение водных объектов.

3. Исследованы гидродинамические характеристики грузовых платформ вездеходного модуля.

4. Разработан и создан контрольно-измерительный комплекс для проведения экспериментальных исследований гидродинамических характеристик перемещающихся объектов.

5. Рекомендовано использование шин низкого давления с целью сохранения и защиты экологического состояния водоохранных зон водных объектов.

6. Разработаны экологически безопасные транспортные технологии освоения водных объектов при расчистке их от аварийной древесины и перевозке лесных грузов.

Основные положения диссертационной работы получили отражение в следующих работах автора:

Самойленко, В.Г. Обоснование выбора способа перемещения плавающих лесоматериалов в тупиковых зонах гидролотков /

B.Г. Самойленко, O.A. Коршунова, Д.В. Самойленко //Научно-методические труды факультета природообустройства и водных ресурсов. - Йошкар-Ола: МарГТУ, 1999. - С.39-43. Самойленко, В.Г. Расчет параметров перемещения плавающего в ограниченной камере тела цилиндрической формы под действием придонных струй / В.Г. Самойленко, O.A. Коршунова, Д.В. Самойленко //Научно-методические труды факультета природообустройства и водных ресурсов. - Йошкар-Ола: МарГТУ, 1999. - С.43-47.

Полянин, А.Я. Управление плавучестью вездеходов, использующих пневмошины низкого давления / А.Я. Полянин, Д.В. Самойленко //Рациональное использование водных ресурсов в системе управления регионом. - Йошкар-Ола: МарГТУ, 2001. -

C. 253-257.

Самойленко, Д.В. Технология транспорта лесоматериалов в зоне мелководных объектов с использованием вездеходных машин и механизмов / Д.В. Самойленко //Глобализация и проблемы национальной безопасности России в 21 веке. - Йошкар-Ола: МарГТУ, 2003. - С. 112-114.

Полянин, А.Я. Кинематические схемы вездеходного модуля, предназначенного для транспортировки лесоматериалов в условиях преодоления водных преград / А.Я. Полянин, Д.В. Самойленко //Сборник статей студентов, аспирантов и докторантов по итогам научно-практических конференций МарГТУ в 2003 г. - Йошкар-Ола: МарГТУ, 2004. - С. 367-371. Самойленко, Д.В. О гидродинамических характеристиках плавающих вездеходных машин / Д.В. Самойленко, А.Я. Полянин //Наука и образование на службе лесного комплекса: материалы международной научно-практической конференции 26-28 октября 2005 г. - Воронеж,2005. - С. 171-173.

Бумага офсетная. Печать офсетная. Усл. п. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ № 3167.

Редакционно-издательский центр Марийского государственного технического университета 424006 Йошкар-Ола, ул. Панфилова, 17

»21882

РНБ Русский фонд

2006-4 18968

Содержание диссертации, кандидата технических наук, Самойленко, Дмитрий Валерьевич

Введение

1. Актуальность совершенствования и разработки новых транспортных технологий освоения водных объектов

1.1. Условия экологической безопасности водных объектов, их водоохранных зон и прибрежных защитных полос, вовлекаемых в хозяйственную деятельность

1.2. Анализ состояния водных объектов, расположенных на территориях с преобладанием лесных ресурсов

1.3. Анализ лесных ресурсов, расположенных в зоне малых водных объектов

1.4. Техника и технологии, предрасположенные для транспорта лесных грузов на территории расположения малых водных объектов

1.5. Перспективные направления организации транспорта лесных грузов в условиях бездорожья

1.6. Задачи исследований

2. Разработка экологически безопасных средств транспортировки лесных грузов на базе вездеходных машин и механизмов

2.1. Разработка схем вездеходных модулей для транспорта лесных грузов через водные преграды

2.2. Кинематические схемы вездеходного модуля, предназначенного для транспортировки лесоматериалов в условиях преодоления водных преград

2.3.Исследование гидродинамических характеристик плавающих вездеходных платформ

2.4. Моделирование исследуемых объектов и процессов

2.5. Экспериментальные исследования

2.6.Выводы

3. Разработка экологически безопасных транспортных технологий для работы на малых водных-объектах 106 3.1 .Технико-эксплуатационные характеристики вездеходных модулей

3.1.1. Колесный водоходный движитель

3.1.2. Методика расчета гусеничного водоходного движителя

3.1.3. Определение плавучести вездехода

3.1.4. Расчет плавучести корпуса

3.1.5. Расчет плавучести пневмогусеницы низкого давления

3.1.6. Анализ плавучести вездеходов различной компоновки 119 3.2.Техно логические схемы транспорта грузов в зоне малых водных объектов

4. Эффективность применения разработанных технологий 132 ■t- 5. Основные выводы и рекомендации

Введение Диссертация по биологии, на тему "Повышение экологической безопасности технологий освоения водных объектов на основе вездеходной техники"

Наметившийся в настоящее время переход от сплошных рубок, преобладавших в России до 90х годов, к выборочным, делает строительство лесовозных дорог малорентабельным, а в ряде случаев - экономически нецелесообразным. В свою очередь экологические ограничения по хозяйственному освоению водных объектов вывели малые и средние реки из разряда лесосплавных.

На фоне вышесказанного разрабатываются программы хозяйственного и рекреационного освоения территорий с преобладанием лесных ресурсов и развитой сетью водных объектов. Существующие транспортные технологии при отсутствии оборудованных дорог не способны решить поставленные задачи без нанесения вреда природной среде. Это делает актуальной разработку новых экологически безопасных технологий, обеспечивающих транспорт лесных грузов и освоение аварийной древесины.

Целью настоящей работы является разработка научных и практических основ для широкого применения новых экологически безопасных технологий транспорта грузов на территории расположения малых водных объектов. Для достижения поставленной цели сформулированы нижеследующие задачи.

1. Произвести анализ и систематизацию существующих технологий транспортного освоения территорий с развитой сетью водных объектов.

2. Разработать экологически безопасные технологии освоения водных объектов на основе очистки их от аварийной древесины и перевозки лесных грузов.

3. Разработать измерительный комплекс для экспериментального исследования параметров перемещения лесотранспортных средств в водной среде и при выходе из воды на берег.

4. Разработать рекомендации по экологически безопасным схемам использования и конструктивным особенностям транспортных средств для освоения водных объектов.

Исследования выполнены в Марийском государственном техническом университете (МарГТУ).

- разработаны рекомендации по экологически безопасным схемам использования и конструктивным особенностям транспортных средств, обеспечивающих пересечение водных объектов;

- разработан измерительный комплекс с использованием компьютерных технологий для экспериментальных исследований параметров перемещения транспортных средств в водной среде и при выходе из воды на берег;

- исследованы гидродинамические характеристики грузовых платформ вездеходного модуля;

- разработаны рекомендации по использованию экологически безопасных транспортных технологий для хозяйственного освоения лесных территорий с разветвленной сетью водных объектов.

Методы исследования.

В процессе проведения исследований были использованы теоретические и экспериментальные методы. Теоретические исследования основывались на использовании уравнений гидростатики и гидродинамики. Экспериментальные исследования проводились с использованием компьютерных технологий на моделях в масштабе моделирования 1:20.

Практическая значимость.

Разработанные технологические схемы могут быть использованы:

- административными органами управления и планирования хозяйственной деятельности;

- учреждениями, занимающимися проектированием и изготовлением вездеходных машин и механизмов;

- производственными организациями, занимающимися транспортными перевозками на территориях с развитой сетью водных объектов.

Реализация результатов работы.

Результаты работы используются в научном и образовательном процессах МарГТУ при изучении курсов «Комплексное использование и охрана водных ресурсов», «Гидравлика» и в выполнении НИР и НИРС.

Внедрение в производство.

Получен акт о внедрении в учебный процесс результатов научных исследований в процессе подготовки диссертационной работы «Повышение экологической безопасности технологий освоения водных объектов на основе вездеходной техники» в МарГТУ.

Получены акты о принятии решения внедрить разработанные в настоящей диссертационной работе технологии перемещения грузов с использованием вездеходной техники на двух предприятиях.

Публикации и апробации работы.

Результаты диссертационной работы докладывались на Всероссийской научно-практической конференции «Рациональное использование водных ресурсов в системе управления регионом» (Йошкар-Ола, 2001 г.), на научной конференции по итогам научно-исследовательской работы Марийского государственного технического университета (Йошкар-Ола, 2003 г.), на Всероссийской междисциплинарной научной конференции «Глобализация и проблемы национальной безопасности России в 21 веке» (Йошкар-Ола, 2003 г.). Материалы диссертации опубликованы в 6 научных статьях.

Достоверность результатов.

Достоверность результатов основывается на достаточном объеме экспериментального материала и его обработке с применением компьютерных информационных технологий. Приборы, использованные в лабораторных экспериментах, прошли тарировку.

Личный вклад автора.

- разработаны рекомендации по экологически безопасным схемам и конструктивным особенностям транспортных средств, обеспечивающих пересечение водных объектов;

- исследованы гидродинамические характеристики грузовых платформ вездеходного модуля;

Положения, выносимые на защиту.

1. Схемы вездеходных модулей для экологически безопасного транспорта лесных грузов на территории расположения малых водных объектов.

2. Теоретическая модель процесса выхода вездеходного модуля из воды на берег.

3. Измерительный комплекс для экспериментальных исследований выхода модели из воды на берег.

4. Результаты экспериментальных исследований перемещения моделей вездеходных модулей из воды на берег.

5. Экологически безопасные транспортные технологии для хозяйственного освоения лесных территорий с разветвленной сетью водных объектов.

Структура и объем работы.

Работа состоит из введения, четырех глав, основных выводов и рекомендаций, списка использованной литературы 110 наименований и 3 приложения. Объем основной части работы без приложений составляет 144 стр., таблиц 21, рисунков 94.

Заключение Диссертация по теме "Экология", Самойленко, Дмитрий Валерьевич

5. Основные выводы и рекомендации

3. Исследованы гидродинамические характеристики грузовых платформ вездеходного модуля.

Библиография Диссертация по биологии, кандидата технических наук, Самойленко, Дмитрий Валерьевич, Йошкар-Ола

1. Автомобильный поезд и безопасность движения/Под общ. ред. Я.Х. Закина. М.: Транспорт, 1991.-126с.

2. Автомобильный транспорт леса: Справочник/Под общ. ред. В.А. Горбачевского. М.: Транспорт, 1973.-376с.

3. Агейкин, Я.С. Вездеходные колесные и комбинированные движители/Я.С. Агейкин. М.: Машиностроение, 1972.-184с.

4. Аксенов, П.В. Многоосные автомобили. М.: Машиностроение, 1989.-279с.

5. Алябьев, В.И. Оптимизация производственных процессов на лесозаготовках/В.И. Алябьев. М.: Лесн. пром-сть, 1977.-232с.

6. Андрианов, Ю.С. Вывозка лесоматериалов самозагружающимисяавтопоездами: Учебное пособие. Йошкар-Ола.: МарГТУ,2001.-98с.

7. Антонов, Д.А. Теория устойчивость движения многоосных автомобилей / Д.А. Антонов. М.: Машиностроение, 1978. - 216 с.

8. Армадеров, Р.Г. Движители транспортных средств высокой проходимости/Р.Г. Армадеров, Н.Ф. Бочаров, А.В. Филюшкин. -М.:Транспорт, 1972.- 104 с.

9. Афанасьев, Л.Л. Автомобильные перевозки/Л.Л. Афанасьев. Л.: Автотрансиздат, 1959.-347с.

10. Бабков, В.Ф. Проходимость колесных машин по грунту / В.Ф. Бабков, А.К. Бируля, В.М. Сиденко. М.: Автотрансиздат, 1959. - 189 с.

11. Балаболкин, Р.К. Эксплуатация автомобилей и гусеничных транспортеров/Р.К. Балаболкин, В.М. Купцов. М.: Транспорт, 1975.-93с.

12. Басин, A.M. Ходкость и управляемость судов/А.М. Басин. М.: Транспорт, 1977. - 455 с.13

Информация о работе

Самойленко, Дмитрий Валерьевич
кандидата технических наук
Йошкар-Ола, 2005
ВАК 03.00.16

Диссертация

Повышение экологической безопасности технологий освоения водных объектов на основе вездеходной техники - тема диссертации по биологии, скачайте бесплатно

Автореферат

Похожие работы