873
.pdfМИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ВОРОНЕЖСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ ЛЕСОТЕХНИЧЕСКАЯ АКАДЕМИЯ
ВОДНЫЙ ТРАНСПОРТ ЛЕСА
Методические указания к выполнению лабораторных работ по изучению разделов: «Плавучесть лесоматериалов»,
«Гидрология и гидрометрия» для студентов специальности 260100 — Лесоинженерное дело
Воронеж 2002
2
УДК 630*378.7
Папонов Н.Н., Мануковский А.Ю. Водный транспорт леса. Методические указания к выполнению лабораторных работ по изучению разделов: «Плавучесть лесоматериалов», «Гидрология и гидрометрия» для студентов специальности 260100 — Лесоинженерное дело.– Воронеж: ВГЛТА.– 2002, 28 с.
Предназначены для выполнения лабораторных работ по дисциплине “Водный транспорт леса”. Они позволяют получить знания об основах транспорта леса по водной среде.
Печатается по решению редакционно-издательского совета ВГЛТА
Рецензент начальник отдела Государственной экологической экспертизы комитета природных ресурсов по Воронежской области В.И. Воронин
Научный редактор д–р техн. наук, проф. В.К. Курьянов
3
ВВЕДЕНИЕ
Водный транспорт играет существенную роль в лесопромышленном комплексе Российской Федерации. На его долю приходится весомая часть доставляемых потребителям лесоматериалов в малолесные регионы. Водный транспорт лесоматериалов отличается от железнодорожного меньшими затратами материальных и трудовых ресурсов на единицу грузовой работы и не требует больших капитальных вложений. Высока роль водного транспорта в зонах со слабо развитой дорожной сетью.
Будущим специалистам-лесоинженерам необходимо иметь знания по основным разделам курса «Водный транспорт леса», а также практические навыки по расчёту, выбору и обоснованию конструктивных, технологических и эксплуатационных параметров водного транспорта. Это поможет им в практической деятельности при организации лесозаготовок и реализации продукции.
Данные методические указания посвящены изучению методов определения плавучести лесоматериалов и скоростей течения воды в водотоках (реках). Они помогут студентам освоить важные разделы курса и приобрести навыки по определению показателей плавучести лесоматериалов, скоростей течения в лабораторных и производственных условиях.
Лабораторная работа № 1
ИССЛЕДОВАНИЕ ПЛАВУЧЕСТИ ЛЕСОМАТЕРИАЛОВ
Цель работы: изучить методику, отработать умения и навыки определения количественных эксплуатационных показателей подготовленных (предназначенных) для сплава лесоматериалов.
Теоретические предпосылки. Термины и определения. Эффективность лесосплава (сроки и расстояние проплава, объём потерь от потопления, затраты, вид транспортных единиц и т.д.) определяется плавучестью лесоматериалов, т.е. способностью последних определённое время находиться на плаву, зависящей от плотности ρ древесины. Плотность материала — это количество вещества в единице объёма. Для древесины плотность
ρ = |
M + G + Mв |
, |
(1) |
|
|||
|
V |
|
где М, G и MB — масса древесинного вещества, воды и воздуха соответственно в объёме V образца (изделия) из древесины, кг.
Плотность древесины зависит от комплекса природно-анатомических, гидрометрических и других факторов: породы ПР, пористости П, влажности W, водопоглощения ВШ, влагопоглощения ВГ, водопроводимости ВП, ме-
4
стоположения Н по высоте (длине) ствола, условий лесопроизрастания У и т.д. В общем виде ρ можно выразить как функцию
ρ = f(ПР, П, W, ВШ, ВГ, ВП, Н, У…). |
(2) |
Плавучесть лесоматериалов обеспечивается |
|
ρ < ρКР < ρЖ, |
(3) |
где ρКР — критическая плотность, соответствующая началу перехода бревна из горизонтального положения на плаву в наклонное (начало потопления), кг/м3; ρЖ — плотность контактной среды (на лесосплаве — вода), кг/м3.
Традиционно плотность древесины определяется путём взвешивания и измерения геометрических параметров образца (изделия), что довольно-таки затруднительно в производственных условиях и для крупногабаритных изделий практически исключается.
Наиболее приемлемым и простым способом определения плотности сплавляемых лесоматериалов следует считать экспрессный линейногравитационный, основанный на использовании закона Архимеда и измерений надводной части hi образца (антиосадки), свободно плавающего в воде в вертикальном положении (рис. 1).
Рис.1. Схема измерения надводной части отрезка сортимента и действующих на него сил
Для плавающего тела равновесие будет обеспечиваться при условии (см. рис. 1)
Go = Fa, |
(4) |
где Go — масса образца, равная произведению его объёма Vo на плотность материала ρ, т.е. Go= Voρ = slρ, (s — средняя площадь поперечного сечения
5
образца длиной l), кг; Fa — выталкивающая сила (Архимедова сила), Fa= s(l – hi)ρв (ρв — плотность воды, равная 1000 кг/м3), Н.
Подставив значения Go и Fa в уравнение (4) и преобразовав его, получим зависимость для расчёта плотности древесины, имеющее вид
ρ = (1 – hi /l)ρв. |
(5) |
Для повышения точности измерения и расчёта ρ образец следует погрузить в воду дважды: сначала одним торцом (концом), а затем другим, и измерить величины h1 и h2 надводной части образца соответственно.
Затем находят среднее значение надводной части h при двух погруже-
ниях
h = |
h1 + h2 |
. |
(6) |
|
|||
2 |
|
|
При этом, h1>h2, а 0 ≤ h ≤1(зависит от формы образца). l
Плотность древесины ρоi отдельного образца вычисляют по формуле
ρo |
|
= 1 |
|
i |
|
|
h + h |
2 |
|
|
|
|
|
− |
1 |
|
ρ |
|
. |
(7) |
|
2l |
|
в |
|||||
|
|
|
|
|
|
Среднюю плотность партии лесоматериалов рассчитывают по формуле
|
|
|
n |
|
|
|
|
|
|
∑ ρo |
|
|
|
ρ |
|
= |
1 |
i |
, |
(8) |
ср |
|
n |
||||
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
где n — количество образцов.
Экспресс-способ определения плотности древесины как доминирующего критерия для лесоcплава отличается следующими достоинствами:
1.Оперативностью выполнения, простотой технического обеспечения и низкой операторской трудоёмкостью.
2.Возможностью использования в любом месте, без специальной подготовки или высокой квалификации исполнителя.
3.Отсутствие обязательного специального изготовления стандартных образцов установленных форм и размеров и не обеспечивающих плотности для круглых лесоматериалов или формирований из них.
Пользуясь зависимостью (7), требующей для реализации лишь элементарных линейных геометрических измерений образца, простейшими расчётами можно определить плотность лесоматериалов, находящихся в любом месте штабеля, разбросанных на лесосеке или на берегу водного объекта.
Лесосплав осуществляют как отдельными сортиментами россыпью (молевой лесосплав), так и специальными транспортными единицами, первичной из которых является лесосплавной пучок.
6
Лесосплавной пучок — это формирование из лесоматериалов, уложенных параллельно и соединённых обвязочными комплектами (стропкомплектами).
Транспортной характеристикой лесосплавного пучка является осадка t, т.е. величина погружения в воду пучка, составляющая часть его высоты.
Осадку назначают, руководствуясь следующими требованиями
t=Mn – z, |
(9) |
где Mn — глубина водного пути, м; z — донный запас, м.
Всилу специфики структурно-анатомического строения древесины, проявляющейся в поглощении воды и водяных паров, осадка при нахождении пучка в воде изменяется, увеличиваясь и предельно достигая значения,
равного высоте пучка H, т.е. tпр =H (начало затопления пучка).
При организации лесосплава необходимо знать динамику водопоглощения древесины и связанную с ней осадку транспортной единицы, определяющих возможность, целесообразность и эффективность лесосплава.
Всвязи с поставленной целью данная лабораторная работа включает два взаимосвязанных исследования: определение плотности древесины и динамику осадки при нахождении лесосплавного пучка в спокойной воде и при волнении (квазитурбулентный режим).
Материально-техническое обеспечение: образцы лесоматериалов, захваты-держатели (не обязательно), рулетка с миллиметровыми делениями, бак и ванна с водой, стеллажи, слесарный инструмент, потокообразователь, обвязочные комплекты, водонепроницаемая плёнка, краска, кисти, весы.
Методика выполнения и содержание работы. Определение плотности древесины проводят на модельных брёвнах (образцах) пород: сосна, берёза, осина, ель в количестве не менее 15 — 20 штук каждой породы. Характеристика образцов: длина l — 0,5, 1,0 и 2,0 м; диаметр d — 6, 8, 10 и 12 см; в коре и без коры, свежесрубленные, правильных цилиндрической и усечённого конуса форм; из комлевой, срединной и вершинной частей ствола дерева.
Количество опытных образцов устанавливает ведущий занятия преподаватель.
Организационной формой выполнения лабораторной работы рекомендуется учебная бригада в составе 3 — 4 студентов.
Подлежащие исследованию образцы нумеруют цифрами (арабскими или римскими), наносимыми на торец образца.
Одновременно формируют экспериментальные лесосплавные пучки из неокоренных и окоренных образцов. При этом, для контроля формируется контрольный лесосплавной пучок, заключённый в гидрооболочку из плёнки.
Связанные пучки должны иметь коэффициент формы С=2.
Порядок выполнения (проведения) работы:
1.При определении плотности древесины лесоматериалов наполнить бак водой на две трети его высоты и установить захват-держатель.
7
2.Измерить диаметры и длины модельных (опытных) образцов с точностью до 1 мм, а также взвесить.
3.Поочерёдно погрузить в бак с водой опытные образцы одним, а затем другим концом, установить в вертикальное положение и измерить при сво-
бодном плавании высоты надводных частей h1 и h2 в двух противоположных точках торцевых срезов.
4.Результаты измерений по породам древесины записать в табл. 1.
|
|
|
|
|
|
|
Таблица 1 |
|
Результаты измерений модельных образцов |
|
|||||
№ |
Длина |
Диаметр |
Высота надводной |
Плотность |
Примечания: |
||
образ- |
образца |
образца |
части, см |
|
ρ |
гниль и дру- |
|
ца |
l, м |
d, см |
h1 |
|
h2 |
кг/м3 |
гие пороки |
|
|
|
Сосна |
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
Итого |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Берёза |
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
Итого |
|
|
|
|
|
|
|
По результатам проведенных исследований
1.Рассчитать среднюю плотность ρср для каждой исследованной породы, используя формулы (7) и (8).
2.Выполнить теоретические исследования и построить графики зависимости
|
h |
|
|
|
h |
2 |
|
|
||
ρ = |
f |
1 |
|
и |
ρ = |
f |
|
|
, а результаты свести в табл. 2. |
|
|
|
|
||||||||
|
|
l |
|
|
|
|
l |
|
|
3. Сделать выводы и дать предложения (рекомендации).
При изучении динамики осадки лесоплавных пучков
1.Сформировать три модельных лесосплавных пучка из неокоренных, окоренных и в гидрооболочке модельных образцов с коэффициентом формы С=2. Взвесить и измерить длину, ширину и высоту пучков. Замаркировать пучки: H — неокоренный; О — окоренный; К — контрольный (в гидрооболочке).
2.Заполнить экспериментальную ванну на две трети водой (рис. 2).
3.Подготовить измерительную систему (плавающую рейку с оснасткой).
4.Погрузить пучки в воду и измерить осадку пучков.
5.Записать результаты наблюдений измерений в табл. 3 и оставить пучок для предстоящих наблюдений W с градацией через 10 суток.
8
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Таблица 2 |
|
|
|
|
|
|
Числовые значения функции ρ = |
h |
||||
|
|
|
|
|
|
f |
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
l |
|||
|
h |
h |
2 |
|
Состояние |
ρ, кг/м3 |
|
|
|
Материал |
|
|
1 |
, |
|
|
образца |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
l |
l |
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
0на поверхности
0,1 погружен
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1,0
Рис. 2. Схема установки для исследования динамики осадки лесосплавного пучка: 1 — ванна; 2 — вода; 3 — лесосплавной пучок; 4 — измерительное устройство; 5 — направляющая (кондуктор)
По результатам исследований динамики осадки tn лесосплавного пучка:
1.Построить интегральную кривую динамики осадки tn лесосплавных пучков марок Н, О и К в зависимости от продолжительности Т их нахождения на воде (функция tn=f(T)).
9
Таблица 3
Характеристика пучка и значения осадки
Марка пучка
Показатели |
Н |
О |
К |
|
|
|
|
Масса М, кг
Длина L, м
Высота H, м
Коэффициент формы С
Плотность ρ, кг/м3
Осадка tn, м:
начальная
через Т суток
10
20
30
40
ит. д.
2.Сделать выводы и дать предложения, объяснив сущность процесса взаимодействия лесосплавного пучка и воды.
Лабораторная работа № 2
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПЛАВУЧЕСТИ ЕЛОВЫХ И СОСНОВЫХ ТОНКОМЕРНЫХ СОРТИМЕНТОВ ОСЕННЕ-ЗИМНЕЙ ЗАГОТОВКИ
Цель работы: отработать практические навыки определения характера плавучести хвойного тонкомера.
Теоретические предпосылки. Ядровая у сосны и спелая у ели древесины имеют плотность в пределах 470 — 500 кг/м3, т.е. обладают плавучестью и могут служить естественным однородным подплавом в бревне. При этом продолжительность нахождения на плаву Т зависит от процента подплава, который определяется по соотношению диаметров бревна D и ядра или спелой древесины dя. Экспериментальным путём установлены зависимости D, dя и Т, представленные в табл. 4 и рекомендованные для практического пользования. Считается, что плавучесть обеспечена при dя ≥ dяmin и не
обеспечена при dя < dяmin (см. рис. 3), где dяmin — табличное значение диаметра ядра или спелой древесины.
Материалы и инструменты: натурные образцы сортиментов любой длины, измерительная рулетка, гидрованна, микрокалькулятор.
10
|
|
|
|
Таблица 4 |
Минимальный диаметр ядра (спелой древесины), |
|
|||
обеспечивающий плавучесть заданной продолжительности |
||||
Продолжительность |
Диаметр сортимента в |
Значения dяmin сортиментов, см |
||
нахождения на воде |
вершинном торце |
еловых |
|
сосновых |
Т, сутки |
D, см |
|
|
|
30 |
6-7 |
2,5 |
|
2,5 |
|
8-9 |
3,5 |
|
3,5 |
|
10-11 |
4,0 |
|
4,0 |
|
12 |
4,5 |
|
5,0 |
60 |
6-7 |
3,0 |
|
3,0 |
|
8-9 |
3,5 |
|
4,0 |
|
10-11 |
4,0 |
|
4,5 |
|
12 |
5,0 |
|
5,5 |
120 |
6-7 |
3,5 |
|
3,5 |
|
8-9 |
4,0 |
|
4,5 |
|
10-11 |
4,5 |
|
5,0 |
|
12 |
5,5 |
|
5,5 |
150 |
6-7 |
4,0 |
|
4,0 |
|
8-9 |
4,5 |
|
5,0 |
|
10-11 |
5,0 |
|
5,0 |
|
12 |
6,0 |
|
6,0 |
Рис. 3. Характер плавания хвойных тонкомерных сортиментов:
а — с обеспеченной плавучестью (dя ≥ dяmin); б — с необеспеченной плавучестью (dя < dяmin)
Методические указания к определению плавучести:
1.Измерить диаметр сортимента D, ядра или спелой древесины dя в вершинном торце и записать в табл. 5.