автореферат диссертации по технологии, машинам и оборудованию лесозаготовок, лесного хозяйства, деревопереработки и химической переработки биомассы дерева, 05.21.01, диссертация на тему:Измельчение древесной коры на оборудовании с молотковыми рабочими органами

ЕФИМОВА Елена Вячеславовна

ИЗМЕЛЬЧЕНИЕ ДРЕВЕСНОЙ КОРЫ НА ОБОРУДОВАНИИ С МОЛОТКОВЫМИ РАБОЧИМИ ОРГАНАМИ

05.21.01 - Технология и машины лесозаготовок и лесного хозяйства

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 4 НОЯ 2013

Санкт-Петербург — 2013 005538254

005538254

ЕФИМОВА Елена Вячеславовна

ИЗМЕЛЬЧЕНИЕ ДРЕВЕСНОЙ КОРЫ НА ОБОРУДОВАНИИ С МОЛОТКОВЫМИ РАБОЧИМИ ОРГАНАМИ

05.21.01 - Технология и машины лесозаготовок и лесного хозяйства

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург -2013

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный лесотехнический университет имени С.М. Кирова»

Научный руководитель - Бирман Алексей Романович,

доктор технических наук, профессор

Официальные оппоненты - Питухин Александр Васильевич,

доктор технических наук, заведующий кафедрой Технологии металлов и ремонта ФГБОУ ВПО «Петрозаводский государственный университет»

Коршак Андрей Валентинович, кандидат технических наук, заместитель директора, филиал лесничего Шатурского филиала ГКУ МО «Мособллес»

Ведущая организация - ФГБОУ ВПО

«Братский государственный университет», г. Братск

Защита диссертации состоится «5» декабря 2013 г. в _11_ часов на заседании диссертационного Совета Д.212.220.03 при ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный лесотехнический университет имени С.М. Кирова» (194021, г. Санкт-Петербург, Институтский пер. 5 - 1, зал заседаний ученого Совета).

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке СПбГЛТУ. Автореферат разослан « ноября 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного Совета, доктор технических наук, профессор

Алексей Романович Бирман

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Современная практика использования древесины в лесоперерабатывающей промышленности требует очистки от коры практически всех видов лесоматериалов (исключая топливные дрова) либо по условиям их применения, либо по условиям дальнейшей переработки. В настоящее время окорка круглых лесоматериалов производится на лесопромышленных складах различного назначения и принадлежности - нижних складах лесозаготовительных предприятий, лесоперевалочных базах, биржах сырья потребителей.

Разработаны различные способы использования коры: сжигание коры для получения тепловой или электрической энергии, механическая переработка на строительные и изоляционные плиты, химическая переработка, биологическая переработка коры для приготовления компостов. Таким образом, кора может являться сырьем для изготовления многих видов продукции. Началом переработки коры практически на все виды продукции является ее облагораживание, которое заключается в ряде подготовительных операций, среди которых одна из основных - операция измельчения. При этом существуют жесткие требования к фракционному составу получаемого материала.

В настоящее время распространено оборудование для измельчения древесных материалов с ножевыми рабочими органами, однако оно имеет ряд недостатков, а именно - ножи быстро тупятся и требуют систематической заточки, фракционный состав продукта измельчения неоднороден, сложно добиться высокой степени измельчения.

При этом известны машины с молотковым рабочим органом, лишенные указанных недостатков. Учитывая требования к фракционному составу древесной коры с точки зрения последующей переработки представляется целесообразным включение молотковой дробилки в технологическую цепочку переработки коры.

Однако вопросы измельчения древесной коры с молотыми рабочими органами в научной и научно-технической литературе освещены в недостаточной степени, что осложняет обоснование рациональных параметров работы такого оборудования и совершенствование его конструкции, что и определяет актуальность темы диссертационных исследований.

Степень разработанности темы исследования. Исследования, проведенные ранее, касающиеся непосредственно измельчения древесной коры, не систематизированы. Отсутствует математическая модель процесса измельчения древесной коры молотковым рабочим органом. Отсутствуют модели, устанавливающие энергоемкость дробления коры молотковыми машинами.

Цель работы. Повышение эффективности работы оборудования для измельчения коры с молотковым рабочим органом.

Сформулированы следующие задачи исследования, требующие решения для достижения поставленной цели:

1. Провести теоретические исследования процесса измельчения древесной коры при контакте с молотковым рабочим органом.

2. Построить математическую модель процесса разрушения древесной коры при взаимодействии с молотковым рабочим органом.

3. Разработать лабораторную установку для проведения экспериментальных исследований процесса измельчения коры.

4. Провести экспериментальные исследования процесса измельчения древесной коры молотковым рабочим органом.

5. Дать рекомендации по выбору основных параметров работы оборудования для измельчения древесной коры.

6. Сравнить затраты на подготовку древесной коры к утилизации различными способами, оценить экономическую эффективность утилизации древесной коры.

Научная новизна. Математическая модель процесса дробления древесной коры, учитывающая определяющие факторы процесса взаимодействия отрезка коры и инструмента, физико-механические свойства отрезка коры, усилия и напряжения в зоне контакта коры и рабочего органа, и позволяющая установить рациональные режимы работы оборудования с молотковым рабочим органом при заданной степени измельчения.

Значимость для теории и практики. Разработанная математическая модель взаимодействия рабочего органа молоткового измельчителя с отрезком коры развивает теорию измельчения древесных материалов. Результаты работы позволяют увеличить объем перерабатываемой коры, обосновать рациональные параметры технологического процесса измельчения, расширяют возможности совершенствования конструкторских решений при проектировании оборудования для измельчения коры. Разработанная лабораторная установка позволяет вести экспериментальные исследования, относящиеся к дроблению коры, с достаточной точностью получать данные о параметрах процесса дробления коры на оборудовании с молотковыми рабочими органами.

Результаты работы могут быть рекомендованы к использованию производственными, проектными, научно-исследовательскими и учебными организациями лесной отрасли.

Методика и методы исследования. При исследовании применялось математическое моделирование, методы планирования эксперимента, статистической обработки результатов опытов.

Материалом для исследований служили труды признанных отечественных ученых в области лесопереработки, а также результаты, полученные лично автором.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Математическая модель взаимодействия рабочего органа измельчителя - молотка - с отрезком древесной коры, устанавливающая силу его взаимодействия с отрезком, а также возникающие в зоне контакта напряжения с учетом характера соударения и физико-механических свойств отрезка коры.

2. Численные соотношения, определяющие параметры работы оборудования для измельчения с молотковым рабочим органом в зависимости от требуемой фракции конечного продукта измельчения.

3. Результаты экспериментальных исследований, устанавливающие характер связи степени измельчения древесной коры с энергоемкостью процесса измельчения.

Достоверность выводов и результатов исследований обеспечена: применением методов математической статистики; проведением экспериментальных исследований в лабораторных условиях и подтвержденной адекватностью полученных моделей, качественной сходимостью экспериментальных и теоретических данных.

Апробация работы. Основные положения диссертации и отдельные ее разделы докладывались и обсуждались на международных научно-практических конференциях: «Пути и опыт модернизации оборудования лесопромышленного комплекса», СПб, 2010, «Совершенствование и повышение надежности оборудования предприятий целлюлозно-бумажной и лесоперерабатывающей промышленности», СПб, 2011, «Леса России в XXI веке», СПб, 2012; а также на научно - технических конференциях ле-соинженерного факультета Санкт-Петербургской государственной лесотехнической академии имени С.М. Кирова в 2010-2013 гг.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении сформулирована актуальность темы диссертационной работы, определена цель исследований, изложены научная новизна и практическая ценность работы, сформулированы основные положения, выносимые на защиту.

I. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ

Рассмотрено состояние вопроса, способы использования древесной коры и подготовки коры к утилизации, процесс ее измельчения. Проанали-

зированы литературные источники, относящиеся к измельчению древесной коры.

Вопросами переработки древесной коры в промышленности занимались многие ученые СПбГЛТУ (среди них особо нужно отметить С.М. Базарова, В.Е. Воскресенского, H.A. Модина, В.И. Онегина, В.И. Патякина, В.В. Сергеевичева), ПетрГУ, МГУЛ, БрГУ, ВГЛТА, УГТУ и других организаций.

Анализ работ показал, что на настоящий момент, несмотря на значительный объем выполненных исследований, вопрос измельчения древесной коры изучен недостаточно.

2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ИЗМЕЛЬЧЕНИЯ ДРЕВЕСНОЙ КОРЫ

Взаимодействие рабочего органа измельчителя с отрезком коры рассмотрено с позиции теории удара Герца. Местные деформации, развивающиеся вблизи контакта соударяющихся тел, связаны с контактной силой некоторой статической зависимостью:

Р = /ссД (D

где Р - контактная сила; а - сближение тел за счет местной деформации; к определяется из формулы:

где Е\, Ег - модули упругости в направлении приложения нагрузки, V|, v^ -коэффициенты Пуассона (соответственно для коры и материала бойка), радиус кривизны поверхности груза в окрестности точки удара R-> равен двум радиусам затупления зубца бойка молотка (2г)

Зависимость (2) носит нелинейный характер, однако в практических расчетах может быть использована линеаризованная зависимость следующего вида:

Р=т~а (3)

Коэффициент местной податливости <5М подбирается таким образом, чтобы при максимальном значении контактной силы потенциальная энергия деформаций при линейной и нелинейной зависимости была одинаковой:

а(Ртах)

\plaX8M= f P(a)da (4)

о

С учетом (1) из (4) получим: 1

2 _2 -- 5 (5)

2 Ртах$М ~ $ к 3^тах

Таким образом, коэффициент местной податливости определится из равенства:

(6)

эV Л 'max

Зависимость <5И от Ртах является достаточно слабой (см. 6); для определения значения SAi достаточно лишь оценить Ртах.

Процесс соударения молотка и отрезка коры при ударе вдоль волокон рассматривается как соударение груза массы от2 по стержню постоянного сечения массы т\, (рисунок 1); масса груза т2 равна массе молотка, приведенной к точке удара ; в начальный момент времени груз движется со скоростью V0 , а стержень неподвижен. Начало координат расположено в точке удара, второй конец стержня свободен.

<» \rtx.n

йЖ

I

Рисунок 2. .Схема удара рабочего органа по отрезку древесной коры (удар поперек волокон)

(7)

(8)

Рисунок 1. Схема взаимодействия рабочего органа с отрезком коры (удар вдоль волокон)

Уравнения движения элементов модели:

д2Ь 1 =

дх22 а2 дЬ2

т2Уг + Р(0 = 0,

где £1, — контактные перемещения произвольных сечений элементов модели, а = - скорость распространения деформаций вдоль стержня, р -

плотность материала стержня.

Поскольку зависимость Р(1) линеаризована, можно записать следующее волновое уравнение, определяющее контактную силу /3(/):

И2р лр 1 йФ (*; -

±1 + 2/^1 + (/* + Н2)Р = -± V а) сИ2 ' йг у 8М йь

где /= а и2,—--/2

2 6мт2

/21\ t 21\ а ( 21\

Начальные условия имеют вид: P(t)|t=o = °> ~ät~lt_0 ~ J^ тогда выражение для контактной силы примет вид при h2 > 0:

0 <t<- PCO — e~fc sinkt (10)

a nöM

21 41 = mht-Ц-е-Г'-

-<t<- hÖMf f (И) a~ a ■ [(Л0 — yj-) sin h6 + fd cos h6]},

21

где в = t--.

а

при h2 < 0:

0 <t< — P(t)=^-e~^sinhht (12)

a hoM

21 41 PdO^-^ie-'tsinhht-lfe-re--<t<- höf T (13)

а а

■ [(he - -) sinh he + fe cosh h6]}

Для определения коэффициента местной податливости использован энергетический метод (до удара груз с массой тг двигался со скоростью Ко, стержень массой ш, неподвижен). Таким образом, в момент наибольшего сжатия они будут двигаться с одинаковой скоростью, сохранив при этом кинетическую энергию:

_ гп2У0 т _ (т1 + т2Ж2 _ т!У02 1 т1+т2' 1 2 2(т1+тг')

В процессе соударения часть кинетической энергии системы расходуется, переходя в потенциальную энергию деформации стержня. Изменение кинетической энергии определяется соотношением:

ЛТ_т2Уо = т1т2 Уо2 (]5)

2 2(тп1 + т2) тг+т2 2 Потенциальная энергия общей деформации стержня определяется следующим равенством:

р2 ,

где I - длина стержня, Fl - площадь поперечного сечения стержня.

С учетом (1) выражение для потенциальной энергии местных деформаций запишется в виде:

s

2 P3

И max _ * max (17)

имести с 2 S ft3

Поскольку:

AT = U?6amx + U™<gH (18)

С использованием (6), (15), (16) перепишем (18):

+ J_P5 mYl

кЛтах т1+т2 2

+-Р3 =-—=---(19)

т 2гтах _ | „ п

5/сз

Поскольку нами используется линеаризованная зависимость вида (3), (19) может быть далее преобразовано:

Цтах —

т17П2

1 Г7~\ (20)

(771! + ТП2) + Ям)

Способ определения коэффициента местной податливости заключается в следующем. Вначале с помощью энергетического метода получают первое приближенное значение Ртах, далее, соблюдая требования о равенстве максимальной потенциальной энергии деформации для нелинейной и линеаризованной зависимости, определяют коэффициент <5М. С использованием найденного значения 6М определяют второе приближенное значение Ртах, учитывая, что зависимость Р(а) уже линеаризована, а затем вновь определяют ÖM с соблюдением предыдущего требования. Таким образом, необходимо определить Ртах из (19), затем по (6) вычислить дм, после чего, воспользовавшись полученным значением и (20), вновь рассчитать Ртах. Далее по (6) получится уточненное значение ¿л/, которое и будет использовано в расчетах.

При рассмотрении поперечного удара рабочего органа об отрезок коры отрезок рассматривается как балка с незакрепленными концами. Скорость отрезка до удара бойка равной нулю, начальная скорость соударения при этом равна скорости рабочего органа К0. Расчетная схема рассматриваемого процесса представлена на рисунок 2. Сила F(x,t) приложена в точке х = f = - и действует на участке А, равном двум радиусам затупления бойка 2г.

г А Д

F(x,t) = \ \ I (21)

0,х <$--,х > £ + -

Уравнение, описывающее вынужденные колебания балки под действием силы F(x,t) записывается так:

cos p^l-cosh p4i / Г~ f~ \ / r~

где иЪОО=—*т=-"(==-(sinh P* + sin P*) + (cosh p* +

sinh Ek, V Va yj a / V Va

cos

N

cos

N

tuj определяются из решения трансцендентного уравнения

g + = = W (22)

dt2 dx4 m m

где £1/- жесткость балки, m - масса балки, / - длина балки. При этом начальные условия для (22):

( А

, , ду(х, 0)

= Л2 • (23)

Общее решение найдется в виде суммы решения однородного урав-

д2у , 2 а*У г. нения вида —- + сг —— = 0: dt2 дх*

да

у(х, 0 = ^ Wk(x)(Ak sin cokt + Bk cos ajfct), (24)

к=1

|^¡-cosh J^l

Й-sin S a \ a

5J

ft-

и одного частного решения вида:

® t

у(*. о = У ИЪОО^- í Fj(v) sincok(t - v)dv (25)

д éí

Решение (25), удовлетворяющее начальным условиям: Вк = 0, /с = 1,2,3 ... п

= -mV0— ,к = 1,2,3 ...л (26)

wfc

Принимая во внимание свойства функции limg_>0/0 ^ííOdt — 1 получим:

00

y(*.0 = (l-mV0)Y — WfcWsinftJftt (27)

(Üb k=i *

Скорость груза и соответствующей точки балки после соприкосновения

т2

~ I sinh 1-1 = 1

и кинетическая энергия системы

-г ( л. т2У° ™2 -Т 7712 (29\

= ^ + О Т = 2 тп2 + гп„р ~ То (29)

где Г0 - начальная кинетическая энергия груза.

Потеря энергии АТ также равна максимальной потенциальной энергии деформации (18).

Максимальная энергия общих деформаций (форма упругой линии балки принята соответствующей статическому нагружению ее силой, приложенной в точке удара) равна

Р2 5

и:

max" (31)

общ 2 1

где Ртах - максимальная контактная сила, <5 - прогиб в точке удара от единичной силы.

Максимальная энергия местных деформаций

Р2 Л

¡¡тах - ' тах^т (32)

иместн 2

где дт - коэффициент местной податливости, определяемый по методике, изложенной выше. Принимая во внимание (29), (31), (32) и (3), получим:

Ртах — V0

N

*jnp — приведенная масса балки:

WI2тпо

2 Р (33)

(т2 + тпр)(8 + Sm)'

dx (34)

1 \W(xy2

о

После определения максимальной контактной силы по известным формулам рассчитывается значение максимального контактного напряжения. Для проведения расчетов были составлены специальные программы в прикладном пакете смешанных вычислений Maple отдельно для случая продольного и поперечного удара. Расчеты проведены при модуле упругости коры в направлении приложения нагрузки в диапазоне от 500 до 2500 МПа. По результатам расчетов составлены удобные для использования на практике уравнения регрессии следующего вида:

Рпш к = -0.0000961 £-0.0211 Ko+0.0363F-0.0000405£Fo+0.0000735£F+25.8KoF+0.0219£FoF

<W= -0.000613E+150Vn+0.127EVn (36)

Pjmax = -0.000486E-12.2 Vn+0.1581- m)

0.00859EVn+0.000438EI+163 VnF+0.114EVnl K

a = -0.0000111E+0.280V„+0.00197EV„ (38)

Анализ результатов расчетов и уравнений (35-38) показывает, что при ударе вдоль волокон на максимальное значение контактной силы оказывает большое влияние площадь поперечного сечения отрезка, при поперечном ударе, в свою очередь - длина отрезка. Однако при определении возникающих в зоне контакта напряжений данные величины не оказывают существенного влияния на получаемые результаты и могут быть исключены из рассмотрения. При этом как в случае удара вдоль, так и поперек волокон, важным параметром является модуль упругости в направлении приложения нагрузки: с увеличением модуля возрастает как максимальная контактная сила, так и возникающие напряжения при взаимодействии рабочего органа с отрезком коры.

На рисунках 3,4 представлены графики, построенные с помощью уравнений (36), (38). Определение скорости рабочего органа, при которой происходит разрушение отрезка, возможно после сопоставления величины возникающих напряжений с данными о прочности коры, определяемыми экспериментально. Однако можно утверждать, что при достижении скорости рабочего органа не превышающей величину 20 м/с происходит разрушение отрезка коры с практически любым модулем упругости и, таким образом, пределом прочности (известно, что предел прочности коры как при сжатии вдоль волокон, так и при изгибе поперек них, является относительно небольшим, и не превышает 5 МПа). Например, предел прочности коры при сжатии составляет 5 МПа, модуль упругости при изгибе поперек волокон - 1000 МПа, тогда по рисунке 4 при скорости рабочего органа 20 м/с максимальное значение контактного напряжения составит 6 МПа, что вызовет разрушение отрезка.

500 1000 1500 2000 2500 500 1000 1500 2000 2500

Е, МПа Е, МПа

Рисунок 3. Максимальное контактное Рисунок 4. Максимальное контактное

напряжение при ударе вдоль волокон напряжение при ударе поперек волокон коры: 1 - 10 м/с; 2 - Ко = 20 м/с; 3 - коры: 1 - 10 м/с; 2 - У„ = 20 м/с; 3 - У„ = У„ = 30 м/с; 4 - У„ = 40 м/с; 5 - У„ = 50 30 м/с; 4 - У„ = 40 м/с; 5 - К„ = 50 м/с. м/с.

3. МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

Экспериментальные исследования проводились в лаборатории кафедры Технологии лесозаготовительных производств СПбГЛТУ им. Кирова. Исследования проводились применительно к процессу измельчения коры сосны в следующих направлениях:

1. Определение зависимости удельной работы измельчения от степени измельчения коры.

2. Исследование влияния влажности коры на энергоемкость процесса ее измельчения.

Для проведения экспериментальных исследований изготовлена экспериментальная установка, схема которой представлена на рисунке 4.

Рисунок 4. Схема экспериментальной установки: 1 - измельчитель; 2 - вольтметр; 3 - амперметр Экспериментальный материал размещался в измельчителе 1, далее включался привод установки. Показания измерительных приборов - амперметра 3 и вольтметра 2 - фиксировались при помощи видеокамеры. Через равные интервалы времени работы установки, составлявшие 15 с, определяли фракционный состав экспериментального материала, для чего установка выключалась, а материал просеивался через сепаратор. Далее измерялась масса каждой фракции и определялась средневзвешенная фракция коры.

Совершенная работа А определялась по формуле:

А = /(t)£/(t) cos (pdt,

(39)

где I(t) - сила тока в цепи, U{t) - напряжение, т - суммарное время работы установки, cos (р = 0,95.

Получение эмпирических зависимостей производили по методу наименьших квадратов. В качестве приближающих функций были выбраны функции, соответствующие трем известным законам измельчения:

у = а- (40)

у = a \g(x + b)

(41) (41)

где у - удельная работа измельчения А, а - коэффициент пропорциональности, л: - средневзвешенный размер частиц коры й?св, Ь — некоторый коэффициент.

При исследовании влияния влажности коры на энергоемкость процесса ее измельчения в качестве управляемых независимых параметров были выбраны удельная работа измельчения Ауд, кВт-ч/т и абсолютная влажность древесной коры %. Контролируемыми независимыми параметрами являлись: порода древесины, кора которой использовалась (сосна), ее температура, средневзвешенный размер частиц, угловая скорость рабочего органа измельчителя. Выходные параметры: степень измельчения коры /.

Были выбраны интервалы варьирования факторов (таблица 1). Таблица 1

Уровни варьирования факторов

№ Фактор Размерность Уровни Интервал

нижний основной верхний

1 - 40 60 80 20

2 ^УД кВт'ч/т 5 12,5 Г~20 7,5

4. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

Эксперименты проведены исходя из методики, изложенной в главе 3. По средним значениям силы тока и напряжения интерполяцией определены зависимости /(г). Далее по формуле (39) рассчитана работа измельчения, совершенная к определенному моменту времени

После определения среднего значения коэффициентов пропорциональности с использованием экспериментально определенных значений с1СБ построены графики, показывающие работу измельчения при использовании трех различных законов измельчения (рисунок 5). Графики показывают, что наилучшее согласование с экспериментом дает использование закона Бонда (4]). При этом коэффициент пропорциональности составляет:

Жа = 80 %: Кв = 37,08 кДж/т

= 60 %: Кв = 33,19 кДж/т

= 40 %: Кв = 28,76 кДж/т

Увеличение влажности коры, таким образом, вызывает увеличение энергоемкости процесса измельчения: с увеличением абсолютной влажности от 40 до 80 % величина удельной работы измельчения возрастает с 28,76 до 37,08 кДж/т.

35 30 25 20 15 10 5

¿4

гщ:

А :

40 45

50 55

60 65 уо 75

80

п № кВтч/т

Рисунок 5. Работа измельчения (сплошная Рисунок 6. Зависимость степени измель-линия - закон Бонда, пунктирная - закон чения коры от влажности и удельной ра-Кирпичева-Кика, штрихпунктирная - закон боты измельчения

Риттингера. х - экспериментальные данные), = 80 % Тогда работа измельчения определится из формулы:

а = Кв№(г^--1=). (41)

V св V св

где £>св - средняя крупность коры, поступающей на измельчение, с/св -средняя крупность измельченной коры.

По результатам обработки данных экспериментов по определению влияния влажности коры на энергоемкость процесса ее измельчения получена зависимость степени измельчения коры /' от влажности и удельной работы измельчения:

/ = 4.265+ 0.00374-Л2+ 0.683-Л- 0.00555

0.218- 0.00219- Ж2 ( '

Установлено, что степень измельчения коры нелинейно зависит от ее влажности и удельной работы измельчения; с увеличением влажности коры при одинаковой удельной работе степень измельчения снижается (рисунок 6).

5. ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

В технологической части диссертации рассмотрена организация опытно-промышленного участка по измельчению древесной коры с применением молотковой дробилки. На основании зависимостей (36), (38) определена рекомендуемая частота вращения ротора молотковой дробилки -900 об/мин при радиусе 0,5 м. Рассчитана величина удельной энергозатраты на подготовку коры к утилизации, складывающаяся из затрат на измельчение и сушку (123,8 кВт-ч/т при измельчении коры со средней крупность 85 мм до средней крупности 0,7 мм, / =125).

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ: ,

Результаты проведенных теоретических и экспериментальных исследований позволяют сделать следующие выводы:

1. Машины с молотковым рабочим органом отличаются высокой надежностью и могут обеспечить однородный фракционный состав и высокую степень измельчения древесной коры.

2. Максимальное значение усилия в зоне контакта рабочего органа и отрезка древесной коры определяется из выражения (20) для удара вдоль волокон и (33) для случая удара поперек волокон отрезка. Скорость рабочего органа, вызывающей разрушение отрезка, определяется после сравнения расчетного значения контактного напряжения с пределом прочности коры на изгиб в плоскости волокон как в случае удара вдоль, так и поперек них.

3. Полученные на основе реализации математической модели взаимодействия отрезка коры с молотковым рабочим органом соотношения для контактной силы в виде линейных функций имеют вид (35), (37) (удар вдоль и поперек волокон соответственно). Контактная сила при этом зависит от модуля упругости коры в направлении приложения нагрузки.

4. Полученные зависимости для напряжений в зоне контакта также как и зависимости для контактной силы с достаточной для практических расчетов точностью могут быть приняты линейными. Выражения, определяющие контактное напряжение, имеют вид (36), (38).

5. При достижении скорости рабочего органа величины 20 м/с происходит разрушение отрезка коры с практически любым модулем упругости и, таким образом, пределом прочности. Частота вращения ротора молотковой дробилки при радиусе 0,5 м, достаточная для эффективного измельчения коры, составляет 900 об/мин.

6. Наилучшее согласование с полученными экспериментальными данными при определении энергоемкости процесса дробления древесной коры дает использование закона измельчения Бонда (41), что иллюстрируют графики на рисунке 5.

7. Увеличение влажности коры вызывает увеличение энергоемкости процесса измельчения. Определенный экспериментально коэффициент пропорциональности для выражения (41) с увеличением абсолютной влажности от 40 до 80 % изменяется в пределах от 28,76 до 37,08 кДж/т.

8. Степень измельчения коры может быть определена из уравнения (42). С увеличением влажности коры при одинаковой удельной работе степень измельчения снижается (рисунок 6).

9. Включение в технологическую цепочку короотжимного пресса для предварительного обезвоживания коры перед дроблением позволит снизить энергоемкость процесса измельчения на величину до 30 %.

10.Удельные энергозатраты на подготовку коры к утилизации, складывающиеся как из затрат на измельчение, так и на сушку, по предлагаемой схеме (короотжимный пресс, молотковая дробилка, аэродинамическая сушилка) составят 123,8 кВт-ч/т при измельчении коры со средней крупность 85 мм до средней крупности 0,7 мм (г =125).

11 .Перспективой дальнейших исследований должно явиться изучение энергоемкости процесса дробления древесной коры в более широком диапазоне исходных данных (например, пород древесины).

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1. Швецова В. В., Ефимова Е. В., Гумерова О. М. Определение коэффициента вязкого сопротивления при деформировании древесных материалов под действием динамической нагрузки / Научное обозрение. - М.: 2013, вып. №1.

2. Ефимова Е.В., Бирман А.Р., Швецова В.В. Некоторые аспекты энергоемкости процесса переработки древесной коры / Системы. Методы. Технологии. - Братск, 2012, вып. №4 (16).

3. Швецова В.В., Бирман А.Р., Ефимова Е.В. О выборе типа ядра интегрального уравнения релаксации напряжений в древесных

материалах / Системы. Методы. Технологии. - Братск, 2012, вып. №4 (16).

4. Ефимова Е.В. Обоснование скорости рабочего органа молотковой дробилки для измельчения древесной коры / Технология и оборудование лесопромышленного комплекса. - СПб.: ЛТА, 2013, вып. № 6.

5. Ефимова Е.В. Определение энергозатрат при измельчении древесной коры / Материалы IX МНПИК «Леса России в XXI веке». - СПб, 2012.

6. Ефимова Е.В., Бирман А.Р., Хитров Е.Г. К вопросу об определении энергоемкости процесса измельчения древесной коры / Материалы ВНПК «Российский лес — 2011». — Вологда, 2011.

Просим принять участие в работе диссертационного Совета Д.212.220.03 или прислать Ваш отзыв на автореферат в двух экземплярах с заверенными подписями по адресу: 194021, Санкт-Петербург, Институтский пер. д. 5 — 1 с пометкой «в ученый Совет».

ЕФИМОВА ЕЛЕНА ВЯЧЕСЛАВОВНА АВТОРЕФЕРАТ

Подписано в печать с оригинал-макета 29.10.13. Формат 60x84/16. Бумага офсетная. Печать трафаретная. Уч.-изд. л. 1,0. Печ. л. 1,25. Тираж 100 экз. Заказ № 258. С 11 а.

Санкт-Петербургский государственный лесотехнический университет Издательско-полиграфический отдел СПбГЛТУ 194021, Санкт-Петербург, Институтский пер., 5.

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего

профессионального образования «Санкт-Петербургский Государственный лесотехнический университет

имени С.М. Кирова»

04201454692

На правах рукописи

ЕФИМОВА Елена Вячеславовна

ИЗМЕЛЬЧЕНИЕ ДРЕВЕСНОЙ КОРЫ НА ОБОРУДОВАНИИ С МОЛОТКОВЫМИ РАБОЧИМИ ОРГАНАМИ

05.21.01 — "Технология и машины лесозаготовок и лесного хозяйства"

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени кандидата технических паук

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор

БИРМАН Алексей Романович

Санкт-Петербург 2013 год

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ...........................................................................................................................4

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ......................................8

1.1. Объем древесной коры и способы ее утилизации................................................8

1.2. Механические свойства древесной коры............................................................14

1.3. Оборудование для измельчения древесных отходов...........................................20

1.4. Обзор литературных источников по теме диссертационного исследования ....29

1.5. Выводы и задачи исследований..............................................................................31

2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССА ИЗМЕЛЬЧЕНИЯ ДРЕВЕСНОЙ КОРЫ..........................................................................................................33

2.1. Общие сведения о процессе измельчения.............................................................33

2.2. Математическая модель взаимодействия рабочего органа машины для измельчения с отрезком древесной коры.....................................................................38

2.2.1. Определение контактной силы и напряжений в зоне контакта молотка с отрезком коры при ударе вдоль волокон...................................................................38

2.2.2. Определение контактной силы и напряжений в зоне контакта молотка с отрезком коры при ударе поперек волокон...............................................................47

2.3. Влияние физико-механических характеристик древесной коры на процесс ее разрушения при взаимодействии с рабочим органом машины.................................61

2.4. Выводы по главе..........................................................................................................65

3. МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ.....67

3.1. Общие сведения.......................................................................................................67

3.1.1. Основное оборудование и приборы.................................................................68

3.1.2. Отбор проб для проведения экспериментов...................................................69

3.2. Влияние фракционного состава па удельную работу измельчения...................70

3.2.1. Методика проведения экспериментальных исследований по определению влияния фракционного состава продукта измельчения на удельную работу измельчения..................................................................................................................70

3.2.2. Методика обработки экспериментальных данных при исследовании влияния фракционного состава измельченной коры на работу измельчения.......72

3.3. Определение степени измельчения коры..............................................................73

3.3.1. Методика планирования и проведения экспериментальных исследований по определению степени измельчения древесной коры..........................................73

3.3.2. Методика обработки результатов экспериментальных исследований измельчения коры........................................................................................................76

4. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ..............................79

4.1. Результаты исследований по определению энергоемкости процесса измельчения коры в зависимости от ее влажности.....................................................79

4.2. Выводы по главе.....................................................................................................108

5. ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ..................................................................................109

5.1. Общие замечания...................................................................................................109

5.2. Рекомендации по организации участка по подготовке древесной коры к утилизации.....................................................................................................................110

5.3. Выводы но главе.....................................................................................................116

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ....................................................................118

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ........................................................120

ПРИЛОЖЕНИЯ К РАБОТЕ............................................................................................129

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. Современная практика использования древесины в лесоперерабатывающей промышленности требует очистки от коры практически всех видов лесоматериалов (исключая топливные дрова) либо по условиям их применения, либо по условиям дальнейшей переработки [1 ], [2]. В настоящее время окорка круглых лесоматериалов производится на лесопромышленных складах различного назначения и принадлежности - нижних складах лесозаготовительных предприятий, лесоперевалочных базах, биржах сырья потребителей [3].

Разработаны различные способы использования коры: сжигание коры для получения тепловой или электрической энергии [1 ], [4], механическая переработка на строительные и изоляционные плиты [5], химическая переработка [6], биологическая переработка коры для приготовления компостов [7]. Таким образом, кора может являться сырьем для изготовления многих видов продукции. Началом переработки коры практически на все виды продукции является ее облагораживание, которое заключается в ряде подготовительных операций, среди коюрых одна из основных - операция измельчения [8], [9]. При этом существуют жесткие требования к фракционному составу получаемого материала [10].

В настоящее время распространено оборудование для измельчения древесных материалов с ножевыми рабочими органами, однако оно имеет ряд недостатков, а именно - ножи быстро тупятся и требуют систематической заточки, фракционный состав продукта измельчения неоднороден, сложно добиться высокой степени измельчения [11], [12], [13].

При этом известны машины с молотковым рабочим органом, лишенные указанных недостатков [14]. Учитывая требования к фракционному составу древесной коры

с точки зрения последующей переработки представляется целесообразным включение молотковой дробилки в технологическую цепочку переработки коры.

Однако вопросы измельчения древесной коры с молотыми рабочими органами в научной и научно-технической литературе освещены в недостаточной степени, что осложняет обоснование рациональных параметров работы такого оборудования и совершенствование его конструкции, что и определяет актуальность темы диссертационных исследований.

Степень разработанности темы исследования. Исследования, проведенные ранее, касающиеся непосредственно измельчения древесной коры, не систематизированы. Отсутствует математическая модель процесса измельчения древесной коры молотковым рабочим органом. Отсутствуют модели, устанавливающие энергоемкость дробления коры молотковыми машинами.

Цель работы. Повышение эффективности работы оборудования для измельчения коры с молотковым рабочим органом.

Сформулированы следующие задачи исследования, требующие решения для достижения поставленной цели:

1. Провести теоретические исследования процесса измельчения древесной коры при контакте с молотковым рабочим органом.

2. Построить математическую модель процесса разрушения древесной коры при взаимодействии с молотковым рабочим органом.

3. Разработать лабораторную установку для проведения экспериментальных исследований процесса измельчения коры.

4. Провести экспериментальные исследования процесса измельчения древесной коры молотковым рабочим органом.

5. Дать рекомендации по выбору основных параметров работы оборудования для измельчения древесной коры.

6. Сравнить затраты на подготовку древесной коры к утилизации различными способами, оценить экономическую эффективность утилизации древесной коры.

Научная новизна. Математическая модель процесса дробления древесной коры, учитывающая определяющие факторы процесса взаимодействия отрезка коры и инструмента, физико-механические свойства отрезка коры, усилия и напряжения в зоне контакта коры и рабочего органа, и позволяющая установить рациональные режимы работы оборудования с молотковым рабочим органом при заданной степени измельчения.

Значимость для теории и практики. Разработанная математическая модель взаимодействия рабочего органа молоткового измельчителя с отрезком коры развивает теорию измельчения древесных материалов. Результаты работы позволяют увеличить объем перерабатываемой коры, обосновать рациональные параметры технологического процесса измельчения, расширяют возможности совершенствования конструкторских решений при проектировании оборудования для измельчения коры. Разработанная лабораторная установка позволяет вести экспериментальные исследования, относящиеся к дроблению коры, с достаточной точностью получать данные о параметрах процесса дробления коры на оборудовании с молотковыми рабочими органами.

Результаты работы могут быть рекомендованы к использованию производственными, проектными, научно-исследовательскими и учебными организациями лесной отрасли.

Методика и методы исследования. При исследовании применялось математическое моделирование, методы планирования эксперимента, статистической обработки результатов опытов.

Материалом для исследований служили труды признанных отечественных ученых в области лесопереработки, а также результаты, полученные лично автором. На защиту выносятся следующие положения: 1. Математическая модель взаимодействия рабочего органа измельчителя - молотка - с отрезком древесной коры, устанавливающая силу его взаимодействия с отрезком, а также возникающие в зоне контакта напряжения с учетом характера соударения и физико-механических свойств отрезка коры.

2. Численные соотношения, определяющие параметры работы оборудования для измельчения с молотковым рабочим органом в зависимое ш от требуемой фракции конечного продукта измельчения.

3. Результаты экспериментальных исследований, устанавливающие характер связи степени измельчения древесной коры с энергоемкостью процесса измельчения.

Достоверность выводов и результатов исследований обеспечена: применением методов математической статистики; проведением экспериментальных исследований в лабораторных условиях и подтвержденной адекватностью полученных моделей, качественной сходимостью экспериментальных и теоретических данных.

Апробация работы. Основные положения диссертации и отдельные ее разделы докладывались и обсуждались па международных научно-практических конференциях: «Пути и опыт модернизации оборудования лесопромышленного комплекса», СПб, 2010. «Совершенствование и повышение надежности оборудования предприятий целлюлозно-бумажной и лесоперерабатывающей промышленности». СПб, 2011, «Леса России в XXI веке», СПб, 2012; а также па научно-технических конференциях лесоинжснерного факультета Санкт-Петербургской государственной лесотехнической академии имени С.М. Кирова в 2010-2013 гг.

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1. Объем древесной коры и способы ее утилизации

Современная практика использования древесины в лесоперерабатывающей промышленности требует очистки от коры практически всех видов лесоматериалов (исключая топливные дрова) либо по условиям их применения в готовом виде, либо по условиям дальнейшей переработки. В настоящее время окорка круглых лесоматериалов производится па лесопромышленных складах различного назначения и принадлежности - нижних складах лесозаготовительных предприятий, лесоперевалочных базах, биржах сырья потребителей [3], [6]. Окорка материалов в условиях лесосеки и верхних складов не нашла распространения [15].

Количество коры, получаемой при окорке бревен, зависит от их диаметра, места произрастания и породы древесины. Поэтому данные о количестве коры значительно расходятся. Определению толщины коры различных пород древесных пород посвящен ряд научных работ [16], [17], [18], [19]. По данным [1], массовое содержание коры (в процентах от объема древесины) может достигать 14 % (таблице 1.1). Таблица 1.1

Массовое содержание коры в зависимости от породы древесины

Порода древесины Содержание коры, % Выход коры с 1 пл. м3 древесины, кг Масса 1 пл. м3 абс. сухой коры, кг

Абс. сухая Влажность 55 % Влажность 60%

Ель 9,5 27 60 67.5 280

Сосна 11,0 37 82 92 334

Порода древесины Содержание коры, % Выход коры с 1 пл. м3 древесины, кг Масса 1 пл. м3 абс. сухой коры, кг

Абс. сухая Влажность 55 % Влажность 60 %

Лиственница 12,0 75 166 187 418

Осина 14,0 60 130 150 420

Береза 13,0 58 130 146 445

Для ориентировочных расчетов на практике принимают, что при окорке 1 пл. м-' круглого леса хвойных пород получают 30 кг абсолютно сухой коры, т.е. 10 % коры от объема древесины.

В ЦНИИМОД были проведены исследования для получения данных о фракционном составе отходов окорки, основные результаты которых приведены в таблице 1.2 согласно [16], [20]. Таблица 1.2

Фракционный состав отходов окорки в зависимости от времени года

Порода Время года Остатки на сетках с диаметром 01веретий, мм, % по весу

30 20 10 5 ДНО

Сосна Зима 49 12 18 14 7

Весна 58 14 12 11 5

Лето 67 11 12 8 2

Осень 62 14 13 9 7

Ель Зима 57 13 18 7 5

Весна 42 24 22 7 5

Лето 51 21 19 6 л

Осень 51 23 16 7 3

Отходы, оставшиеся на ситах с ячейками диаметром 30 мм, составляющие для сосны 49-67 % и 51-57 % для ели, представляют собой в основном куски коры размером до 100 мм; в летний период встречаются полосы коры длиной 400-500 мм и более.

Разработанные способы использования коры можно разделить на четыре группы [20]:

1. Сжигание коры для получения тепловой или электрической энергии.

2. Механическая переработка коры на строительные и изоляционные плиты.

3. Химическая переработка коры для получения экстрактов и химикатов.

4. Биологическая переработка коры для приготовления компосгов.

Наиболее простым и доступным способом утилизации древесной коры является

использование ее в качестве топлива. Па целлюлозно-бумажных предприятиях кору сжигают в специальных котлоагрегатах высокой производительности, как правило, в смеси с другими видами топлива: щепой, углем или жидким топливом.

В работах [16], [21], [1], [22], [23], [24] отмечено, что древесная кора является выгодным сырьем для производства топливных брикетов. Помимо влажности сырья, на качество, а именно - прочность, получаемых брикетов влияет его фракционный состав, что видно из графика на рисунок 1.1.

Рисунок 1.1. Влияние фракции древесной коры на механическую прочность брикетов [14]:

1 - / > 5 мм; 2-1 = 3^5 мм; 3 - / = 2-^3 мм; 4 - / = 0,5^2 мм; 5 - /' < 0,5 мм

График на рисунок 1.2 показывает, что включение частиц крупного размера резко снижает прочность древесных брикетов, что, очевидно, справедливо и для корьевых брикетов:

Рисунок 1.2. Влияние фракционного состава на механическую прочность брикетов при прессовании на штемпельном прессе [25]:

1 - щепа 100 %; 2 - щепа 75 %, сгружка и опилки 25 %; 3 - щепа 50 %. стружка и опилки 50 %; 4 -щепа 33 %, стружка и опилки 67 %: 5 - щепа 25 %, стружка и опилки 75 %; 6 - сгружка и опилки

100 %

На основании этих данных рекомендуется брикетировать кору фракцией не выше 5 мм. при наличии большого количества отходов фракцией более 5 мм их необходимо измельчать.

По мнению специалистов, возможно использование коры в качестве добавки при производстве стружечных плит [1], [26], [27]. Плиты из коры имеют меньшую прочность, чем плоскопрессованные древесностружечные плиты, но при этом прочность таких плит близка к прочности штампованных древесностружечных плит. Плиты из коры имеют высокие изоляционные показатели и низкие показатели набухания, что обусловливает их применение в строительстве в качестве прокладочного материала для крыш, полов и стен внутри зданий. Отметим требования к фракционному составу. Так. при проведении исследований по изготовлению стружечных плит

средней плотности в Дрезденском институте технологии древесины использовалась кора сосны и ели следующего фракционного состава: Таблица 1.2

Фракционный состав измельченной коры для наружных и средних слоев плит [1]

Размер частиц фракции, мм Фракционный состав измельченной коры

ели сосны

для наружных слоев, % по весу для среднего слоя, % по весу для наружных слоев, % по весу для среднего слоя, % по весу

8,0 0 1,0 0 8,5

6,5 0 10,5 0 13,8

5,0 0 14,9 0 7,6

4,0 0 14,3 0 5,6

3,0 0 13,4 0 4,9

2,0 7,5 15,9 3,4 10,5

1,0 29,5 20,4 31,2 33,4

<1,0 65,4 7,8 65,0 16,8

Исследования, проведенные в ЦНИИМОД. ЛатНИИЛХП и БТИ, а также разработанная технология свидетельствуют о возможности изготовления древеснокорье-вых плит с применением таких связующих, как сульфитная барда (отходы сульфитного производства) и мочевиноформальдегидная смола.

В настоящее время известен целый ряд материалов на основе органических заполнителей. связанных минеральными связующими: фибролит, дюризол. пилинобе-тон, опилкобетон, арболит. Проведенные в нашей стране и за рубежом исследования доказали возможность использования коры в качестве наполнителя в строительных материалах.

В работах [28], [29] предложен материал из коры па гипсовом вяжущем, названный королитом. Предел прочности королитовых плит при сжатии до 1,7 МПа, при

изгибе 2-3,5 МПа (при объемной массе 700 кг/м3). коэффици�