Методологические и технологические основы процесса окорки лесоматериалов ультразвуком

Гаспарян, Гарик Давидович

Технология и машины лесозаготовок и лесного хозяйства

автореферат диссертации по технологии, машинам и оборудованию лесозаготовок, лесного хозяйства, деревопереработки и химической переработки биомассы дерева, 05.21.01, диссертация на тему:Методологические и технологические основы процесса окорки лесоматериалов ультразвуком

доктора технических наук: Гаспарян, Гарик Давидович
город: Братск
год: 2013
специальность ВАК РФ: 05.21.01

Диссертация по технологии, машинам и оборудованию лесозаготовок, лесного хозяйства, деревопереработки и химической переработки биомассы дерева на тему «Методологические и технологические основы процесса окорки лесоматериалов ультразвуком»

Автореферат диссертации по теме "Методологические и технологические основы процесса окорки лесоматериалов ультразвуком"

На правах рукописи

Гаспарян Гарик Давидович

МЕТОДОЛОГИЧЕСКИЕ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРОЦЕССА ОКОРКИ ЛЕСОМАТЕРИАЛОВ УЛЬТРАЗВУКОМ

05.21.01 - «Технология и машины лесозаготовок и лесного хозяйства»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

2 3 ЙНВ 2014

Москва —2013

005544641

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образова тельном учреждении высшего профессионального образования «Братский госу дарственный университет» (ФГБОУ ВПО «БрГУ»)

Научный консультант: Иванов Виктор Александрович

доктор технических наук, доцент

Официальные оппоненты: Шимкович Дмитрий Григорьевич

доктор технических наук, профессор, Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московский государственный университет леса», заведующий кафедрой теории и конструирования машин

Бурмистрова Ольга Николаевна

доктор технических наук, профессор, Федераль- -ное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Ухтинский государственный технический университет», заведующий кафедрой технологий и машин лесозаготовок

Григорьев Игорь Владиславович

доктор технических наук, профессор, Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный лесотехнический университет им. С.М. Кирова»

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Уральский государственный лесо-

технический университет»

Защита диссертации состоится «14» февраля 2014 г. в 10-00 час на заседании диссертационного совета Д 212.146.03 при Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московский государственный университет леса» по адресу: 141001, г. Мытищи, ул. 1 -ая Институтская, д. 1.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке ФГБОУ ВПО «МГУЛ»

Автореферат разослан «09» января 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор технических наук, профессор

Рыбин Б.М.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. При комплексном и экономически выгодном использовании древесного сырья возникает требование обязательной его окорки, которую выполняют на предприятиях лесной промышленности или непосредственно у потребителей древесного сырья.

Существующее технологическое оборудование для окорки лесоматериалов является металлоёмким и энергоёмким, что приводит к повышению себестоимости конечного продукта и высокую степень зависимости от рынка энергообеспечения.

Также при окорке лесоматериалов существующим оборудованием происходит потеря древесины (в барабанах до 1,5...8 %, в роторных станках до 0,5...7 %). На потери древесины также влияет требуемая степень удаления коры. Полное удаление коры приводит к значительным экономически неоправданным потерям древесины, поэтому в древесине, идущей на химическую переработку допускается наличие некоторого количества коры, содержание которой регламентируется в зависимости от конечного продукта.

Многие научно-исследовательские и проектно-конструкторские организации проводят исследования и изыскания в области совершенствования технического вооружения, технологических процессов при обработке древесного сырья и разработки комплексного его использования.

Совершенствование процесса окорки лесоматериалов является вопросом актуальным и требует развития и оптимизации посредством повышения уровня техники и технологии с применением новых принципов эксплуатации существующего оборудования с рационализацией их конструкций или интродукции новых методов окорки.

Учитывая многолетние исследования в области применения ультразвукового излучения, а также изучение физических и акустических свойств в работе предлагается новое технологическое решение — использование ультразвукового излучения (УЗИ) в технологическом процессе окорки древесины.

Одним из перспективных методов воздействия на лесоматериал с целью его окорки является метод, основанный на использовании механических колебаний ультразвукового диапазона в водной среде. Формирование научно-методологических принципов использования ультразвука в процессе окорки круглых лесоматериалов и составляет главное содержание диссертационного исследования.

Работа выполнялась в соответствии с перечнем приоритетных направлений развития науки, технологий и техники в Российской Федерации, утверждённым Указом Президента РФ №899 от 7 июля 2011г. и соответствует двум направлениям: рациональное природопользование; энергоэффективность, энергосбережение.

Степень разработанности проблемы. Важной проблеме окорки лесоматериалов посвящен целый спектр работ, направленных на исследование различных принципов и способов с различными технологическими и техническими решениями. Однако вопросы оптимизации параметров технологического процесса окорки лесоматериалов, с точки зрения энергоэффективности, качества окорки, безопасности и

многих других качественных показателей является до сих пор не решённым! в полной мере.

Большой вклад в развитие техники и технологии окорки лесоматериалов внесли такие отечественные и зарубежные учёные как: Бойков С.П., Пигильдн Н.Ф., Залегаллер Б.Г., Пижурин A.A., Редькин А.К., Уголев Б.Н, Полозов М.И., Пыстин j А .И., Зыков Ф.И., Никифоров В.М., Силаев В.И., Торговников Г.И., Симонов М.Н., Мехренцев A.B., Юн Е.В., Григорьев И.В., Воробьёв И.В., Крисько A.C., Газизов A.M., Гумерова О.М., Югов В.Г., Цывин М.М., Rosko P., Butora A., Calver W.W., Carlicki A.M. и многие другие.

Большинство работ Бойкова С.П., Пигильдина Н.Ф., Редькина А.К. и др. посвящены механической окорке лесоматериалов различными способами. Во мно- t гих обзорных работах Львовского Л.В., Орлова А.Т., Мальцева Н.Ф. и др. принципы и способы окорки лесоматериалов условно разделяли по различным признакам: контактные и бесконтактные; механические и немеханические; традиционные и нетрадиционные. Львовский Л.В. и Орлов А.Т. к традиционным способам окорки относят такие, как окорку роторными окорочными станками или цепными, а к нетрадиционным - СВЧ, гидравлический, химический.

Имеются многочисленные исследования в области окорки лесоматериалов бесконтактным способом: Мирецкий В.О. исследовал вопросы окорки древесины электрическими разрядами в жидкости; Гулисашвили Б.Г. проводил комплексные исследования по химической окорки лесоматериалов на корню; Дмитриев Ю.Я., Кислицына Г.Ф. и др. занимались гидравлической окоркой; воздействием СВЧ на лесоматериал с целью окорки занимались учёные Торговников Г.И. и Мануйлов H.A.

Главным образом исследования указанных ученых направлены на повышение эффективности процесса окорки лесоматериалов: снижение энергоёмкости оборудования; повышения качества и чистоты снятия коры; снижение механических повреждений древесины, что приводит к потере биомассы, и другим показателям. Однако современные требования к качеству конечной продукции и повышению энергоэффективности позволяют использовать и развивать более технологичные направления окорки лесоматериалов.

Применение различных способов воздействия на лесоматериал с целью его окорки позволяет оценить физические свойства и структуру коры и определить иные принципы влияния на её элементы для послойного разрушения, основанные на различных физических явлениях, происходящих в водной среде под действием ультразвука.

Большой вклад в области изучения технологии ультразвука внесли многие отечественные и зарубежные учёные такие как: Л.Г. Бергман, В.А. Красильников, ИГ. Михайлов, В.А. Соловьёв, Ю. П. Сырников, И.А. Викторов, Ю.В. Холопов, В.Н. Хмелёв, В .Т. Фаерман, С.С. Уразовский, И.Г. Полоцкий, Б.А. Аграната, И.П. Галямина и многие другие.

В.Н. Хмелёв, применяя физические явления под действием ультразвука в различных биологических веществах в сельском хозяйстве.

Вопросам воздействия ультразвука на различные материалы посветили многие учёные И.А. Викторов, Ю.В. Холопов, В.Н. Хмелёв, В.Т. Фаерман, С.С. Ура-зовский и др.

Однако ультразвуковая технология в лесной промышленности, а в частности в процессе окорки, не использовалась. Поиск новых, эффективных технологических решений требует продолжения и существенного развития научных исследований по данной проблеме.

Цель работы. Повышение эффективности процесса окорки лесоматериалов путём внедрения нового технологического решения с применением ультразвука.

Задачи исследований:

1. Разработать комплекс теоретических основ формирования технических систем и технологических комплексов окорки лесоматериалов ультразвуком;

2. Разработать теоретические основы процесса воздействия ультразвука на элементы коры и определить протекающие при этом физические процессы;

3. Построить математическую модель технических систем ультразвуковой окорки лесоматериалов;

4. Построить комплексную математическую модель процесса ультразвуковой окорки лесоматериалов с описанием протекающих при этом физических процессов;

5. Разработать концептуальную технолого-экологическую модель процесса окорки лесоматериалов ультразвуком;

6. Провести на основе системного анализа многофакторные исследования параметров технических систем, технологических комплексов и процесса ультразвуковой окорки лесоматериалов;

7. Разработать комплексную методику и дать рекомендации для формирования и реализации технологического процесса окорки лесоматериалов ультразвуком;

8. Определить наиболее рациональную технологию использования отходной коры, полученной при ультразвуковой окорке лесоматериалов;

9. Провести комплексную оценку экономической эффективности, полученной при реализации технологического процесса окорки лесоматериалов ультразвуком.

Объект исследований. Технологический процесс окорки круглых лесоматериалов.

Предмет исследований. Технологии, процессы, технологические комплексы и технические системы окорки лесоматериалов ультразвуком.

Методологическая, теоретическая и эмпирическая база исследований.

В работе применены методы исследования, включающие: анализ литературных источников, посвященных вопросам совершенствования технологического процесса окорки лесоматериалов, основных энергетических и физических параметров ультразвука и его применения в различных сферах деятельности человека; анализ и систематизация существующих и перспективных технологических процессов с применением ультразвука.

Использованы методы дифференциального и интегрального исчислений,

теории вероятностей, имитационного и математического моделирования, математической статистики, экономического анализа, натурные наблюдения и эксперименты. Обработка результатов производилась методами математической статистики с применением современных компьютерных программно-модульных комплексов обработки информации.

Для проведения комплексных экспериментальных и теоретических исследований ультразвуковой окорки были использованы образцы лесоматериалов наиболее распространённой в Восточной Сибири породы сосны.

Научная новизна. В работе приведены следующие положения, обладающие научной новизной:

- математические модели технических систем и технологических комплексов ультразвуковой окорки лесоматериалов;

- комплексные математические модели процесса ультразвуковой окорки лесоматериалов с описанием происходящих физических процессов;

- комплекс показателей технических систем, влияющих на эффективность окорки лесоматериалов ультразвуком;

- концептуальная технолого-экологической модель ультразвуковой окорки лесоматериалов;

- комплексная методика формирования и реализации технологического процесса окорки лесоматериалов ультразвуком.

Теоретическая и практическая значимость работы. Результаты теоретических и экспериментальных исследований позволяют:

- решать задачи проектирования процесса окорки лесоматериалов ультразвуком как единую технологическую цепочку эффективной переработки лесных ресурсов;

- формировать технологические комплексы ультразвуковой окорки лесоматериалов;

- формировать и реализовать технологический процесс окорки лесоматериалов ультразвуком;

- определять наиболее рациональные технологические параметры процесса окорки лесоматериалов ультразвуком;

- разработать рекомендации по реализации технологического процесса окорки лесоматериалов ультразвуком;

- определять степень технологичности элементов технических систем ультразвуковой окорки лесоматериалов.

Основные научные положения и результаты исследований, выносимые на защиту.

1. Общая теория воздействия ультразвука на лесоматериал с целью его окорки.

2. Математическая модель технических систем, применяемых при реализации процесса ультразвуковой окорки лесоматериалов, позволяющая оценить наиболее рациональные показатели технологического комплекса.

3. Математические модели физических явлений, влияющих на процесс и качественные показатели окорки лесоматериалов ультразвуком.

4. Результаты оценки качественных и эксплуатационных характеристик элементов технических систем технологии ультразвуковой окорки лесоматериалов.

5. Концептуальная модель технолого-экологических аспектов окорки лесоматериалов ультразвуком.

Соответствие диссертации паспорту научной специальности. Наиболее существенные результаты, выносимые на защиту, относятся к пунктам 3 - Разработка операционных технологий и процессов в лесопромышленном и лесохозяйствен-ном производствах: заготовительном, транспортном, складском, обрабатывающем, лесовосстановительном и др., 7 - Разработка технологий и систем машин, обеспечивающих комплексное использование древесного сырья и отходов в технологических и энергетических целях, 8 - Обоснование технологий и оборудования лесообрабатывающих производств на лесопромышленных и лесохозяйствен-ных предприятиях паспорта научной специальности 05.21.01 - Технология и машины лесозаготовок и лесного хозяйства.

Достоверность получаемых результатов подтверждается методологической базой исследований, обеспечена проведением системного анализа проблемы и применением аналитических, теоретических и экспериментальных исследований, а также методов математической статистики при планировании экспериментов и обработке их материалов.

Реализация результатов работы. Основные положения диссертации использованы в практике работы ООО «ЛП «Ангара», ООО «Лесторп», ООО «Лесные инновации».

Результаты исследований внедрены в учебный процесс в Братском государственном университете, где полученные результаты используются при чтении лекций, в том числе на факультете повышения квалификации работников отрасли, подготовке аспирантов, путем использования монографии «Энергосберегающие технологии окорки круглых лесоматериалов».

Апробация результатов работы. Основные положения и результаты исследований доложены, обсуждены и одобрены на научно-технических конференциях в Сибирском государственном технологическом университете, г. Красноярск, 2004г.; межрегиональных научно-технических конференциях Братского государственного университета, г. Братск, 2002-2012 г.; международной научно-технической конференции в Уральском государственном лесотехническом университете, г. Екатеринбург, 2003 г.; Международной выставке-ярмарке «Экспо-Сибирь», г. Кемерово, 2005 г., где был получен диплом второй степени за лучший экспонат; научно-практической конференции в Иркутском государственном техническом университете, 2005 г.; международной выставке-ярмарке «Сиблесо-пользование. Деревообработка», г.Иркутск, 2006-2012 г.; на заседания Союза лесопромышленников и лесоэкспортеров Иркутской области, г.Иркутск; на заседаниях рабочей группы по реализации партийной проекта «Российский лес»; на расширенных заседаниях кафедр профильных вузов в г. Вологда (ВГТУ), г. Санкт-Петербург (ЛТУ им. С.М. Кирова), г. Воронеж (ВГЛТА).

Публикации. Результаты исследований отражены в 38 научных работах, в том числе 13 статей в изданиях, определенных ВАК Минобрнауки РФ, 2 патентах на изобретение, 1 монографии. В работах, опубликованных в соавторстве, личное

участие автора заключается в определении целей и задач работы, в выполнении теоретических и экспериментальных исследований и анализе их результатов.

Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав, основных выводов и рекомендаций, списка использованных источников из 270 наименований и 18 приложений. Содержание работы изложено на 388 страницах машинописного текста, иллюстрировано 67 рисунками и 36 таблицами.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении содержится общая характеристика работы, обоснование актуальности темы и основные положения диссертации, выносимые на защиту.

В первой главе проведён обзор существующих способов окорки лесоматериалов, применяемых на лесозаготовительных и деревообрабатывающих предприятиях и анализ техники и технологии различного применения ультразвука.

В нашей стране и за рубежом известны несколько способов окорки, а также более ста моделей различного по принципу работы и конструкции оборудования. Многообразие и разнотипность его объясняется большой изменчивостью форм, физико-механических свойств коры и древесины, различными требованиями промышленности к качеству окорки и времени года.

Повышение требований качества получаемой лесной продукции возрастает и ведёт к внедрению всё более прогрессивных методов и технологий как первичной, так и глубокой переработки лесного сырья. В связи с этим в настоящей работе предлагается провести комплексные научные, экспериментальные исследования внедрения новых принципов окорки лесоматериалов с применением ультразвука с разработкой методологических принципов внедрения и реализации.

На основании разнообразных воздействий ультразвука на вещество образовалось целое технологическое направление — ультразвуковая технология. В области контрольно-измерительных применений ультразвука в самостоятельный, установившийся раздел выделилась ультразвуковая дефектоскопия, возможности которой и разнообразие решаемых ею задач существенно возросли.

Изучение ультразвуковой технологии и основных свойств ультразвука позволило произвести анализ ультразвуковой окорки лесоматериалов - способа очистки лесоматериалов от коры путём воздействия на неё ультразвуковых волн посредством водной среды.

На основании анализа состояния проблемы сформулирована цель диссертационной работы и определены основные направления исследований.

Во второй главе проведены теоретические исследования технических систем и технологии окорки лесоматериалов ультразвуком, включающие в себя разработку комплексной модели, исследования физико-механических и химических свойств коры с целью определения наиболее рациональных показателей окорки.

Структура комплексной модели технических систем и технологии ультразвуковой окорки лесоматериалов представлена на рис. 1.

Рис. 1. Структура комплексной модели технических систем и технологии окорки лесоматериалов ультразвуком.

Основываясь на структуре комплексного моделирования окорки лесоматериалов ультразвуком, разработку модели можно ориентировать по принципу технического дифференцирования, позволяющей исследовать параметры отдельно каждого элемента технической системы. В связи с этим ниже представлены математические модели ультразвукового генератора и колебательной системы.

На основе предложенной модели кавитирующей среды разработана методика расчета предельных параметров электронных генераторов ультразвуковых технологических аппаратов, таких как запас мощности и диапазон изменения частоты, для работы в жидких средах, при условии реализации в них режима развитой кавитации.

Методика обеспечивает выбор параметров ультразвуковых генераторов, работающих в составе с полуволновыми пьезоэлектрическими стержневыми колебательными системами с эллиптическим рабочими инструментами, форма которых представлена на рисунке 2. и описывает сегмент поверхности окариваемого лесоматериала.

Исходные данные для расчета основных параметров электронных ультразвуковых генераторов:

Рис. 2. Эскиз ультразвукового инструмента

- плотность материала колебательной системы, кг/м3; . сузкс ~ скорость звука в материале колебательной системы, м/с;

рк - плотность коры, кг/м3; рж — плотность жидкости, кг/м3; сж - скорость звука в обрабатываемой среде, м/с; / — частота ультразвуковых колебаний, Гц; Ъ1 - диаметр излучающей поверхности инструмента, мм; Д, - диаметр сечения волновода колебательной системы, к которому

присоединяется рабочий инструмент, мм; Р0 - гидростатическое давление, Па; Рп - давление насыщенных паров, Па;

а - коэффициент поверхностного натяжения обрабатываемой среды; К — индекс кавитации.

На следующем этапе реализации методики осуществляется расчет давления ультразвукового поля Рм, при котором достигается режим развитой кавитации. Для этого:

- определяется значение максимального размера Пщх парогазового пузырька:

р =з _

ЛЛШГ 11

где

Р = ~

4 27 V 2 Р0Ъу

4 27

7,4 = —.

3 уст

(1)

(2)

4лгрж/2'*1 2 ж2рж/г - средняя величина максимального радиуса разрушающего кору кавитаци-онного пузырька принимается равной:

Яшх =

Я.

(3)

- индекс кавитации, при котором наступает режим развитой кавитации, представляется в следующем виде:

~7Г

•Яо3)

^МАХ

рЗ _ рЗ 1Кшх ло

¡-(К

где ЛУСФ - вытесненный из сферы объём жидкости, мм3; УСФ- объём сферы, ограниченный радиусом Ямах, мм3.

- радиус кавитационного пузырька определяется из выражения 4 приняв Л0=0 (так как Я,,« Я)

Я = ^КЯшх; (5)

— рассчитывается давление ультразвукового поля:

Р =Р

гм г0

Л+

2а

Я '

Р»-Рп

2а_

Я3'

(6)

Рис. 3. Формирование разрушающего кору навигационного пузырька

- величина среднего звукового давления определяется из следующего выражения:

Практические исследования показали, что с увеличением площади излучения, замедляется уменьшение резонансной частоты ультразвуковой колебательной системы (УЗКС).

Предельные параметры ультразвукового генератора при окорке лесоматериалов в жидких средах, основана на анализе модели кавитирующей среды, представленной в виде одиночного кавитационного пузырька и позволяющей установить связь акустических свойств жидких кавитирующих сред с параметрами первичного ультразвукового поля.

Также определены математические зависимости эксплуатационных характеристик таких как акустическая и электрическая мощности электронного генератора, необходимого и достаточного для реализации в жидкой среде режима развитой кавитации с целью разрушения слоев коры. Определены диапазоны изменения резонансной частоты ультразвуковой колебательной системы при работе ультразвукового аппарата в различных режимах.

При рассмотрении колебаний упругих тел будем полагать, что материал тела однороден, изотропен и подчиняется закону Гука.

При выводе уравнения движения будем основываться на гипотезе плоских сечений. Кроме того, будем игнорировать силы инерции, связанные с поперечными движениями частиц стержня при его растяжении - сжатии. Тогда положение каждого поперечного сечения в процессе движения полностью характеризуется его продольным смещением £/.

Рассмотрим элемент стержня, ограниченный двумя поперечными сечениями. Обозначим: n - поперечная сила в сечении, Н; <П - сила инерции, кг-м/с2; У(7) - площадь поперечного сечения, м2;

11(2) - смещение данного поперечного сечения вдоль оси бруса 2, мм; Е - модуль упругости материала стержня (модуль Юнга), Н/м; р - плотность материала стержня, кг/м3; со - круговая частота, рад/с;

Рассматривая выделенный участок стержня и применяя принцип Даламбера (при движении механической системы активная сила и реакция связей вместе с силой инерции составляют равновесную систему сил для каждой точки системы), можно записать:

N +—dZ + df-N = 0 (8)

д2

Тогда, подставив в (17) выражение для силы инерции и сократив получим:

^+Ф2р-г(г)-и(г)=о (9)

д2

Второе уравнение системы дифференциальных уравнений, описывающих продольные колебания записывается в соответствии с законом Гука.

Левое сечение элемента смещается вдоль оси 2 на и, правое - навеличину и+сЮ. Таким образом, абсолютное удлинение элемента равно:

д2 д2

а относительное:

е^Ж (10)

<12 д2

Усилие, возникающее в сечении, связано с относительным удлинением законом Гука для одноосного напряжённого состояния:

Ы = ЕГ(2)е = ЕР(2) Ц (11)

д2

Окончательно система дифференциальных уравнений описывающая свободные продольные колебания стержней переменного сечения запишется в виде:

аг ее(2) (12)

о2

Волновое уравнение продольных колебаний такого стержня имеет вид

,д2и

—. . . = о (13)

Введем в рассмотрение внутреннее трение и заменим «чисто упругую» задачу моделью вязкоупругого тела Бока-Сорокина (эллиптическая форма петли гистерезиса), приводящую к наиболее простым решениям. Запишем связь между напряжение и деформацией для одноосного напряженного состояния в виде:

Большинство численных оценок параметров динамики кавитационных пузырьков получено с использованием уравнения Рэлея-Плессета и его модификаций. Тем не менее, следует упомянуть и более сложные модели, позволяющие учитывать сжимаемость жидкости. Одна из них описывается уравнением Херринга-Флинна (17). Уравнение (17) более точно описывает динамику ка-витационного пузырька с учетом сжимаемости, но только до скоростей движения, сравнимых со скоростью звука в жидкости с0:

Г 2 ^ •• 3 Г, з

1--Я я+- 1--я

1 со 2 1 4со )

+ — Р

„ „ „ • 2<т

Яо А Л

з г

+ .

(17)

+ — ЯЯ РСа

с„

с1Р{я)_

¿Я

= 0.

На конечной стадии захлопывания пузырька скорость стенки пузырька может превышать с0. В этом случае применяется уравнение Кирквуда-Бете, выведенное с допущением о сферичности волн конечной амплитуды, образующихся при схлопывании полости:

+ 1+ —Я с„

( 2 •• 3 / з ь)

1- —Я 1- —Я

V со 2 \ )

Н-—Я

1-—Я

с„

Я2 +

Я^О, йЯ

(18)

где

н-

<1Р

п А" п-1 р

2а_

Во.

2сг

С = [Со2 + (и-1)я{

где А,В,п- постоянные коэффициенты, значения которых для воды А = 300 МПа, В = 300 МПа, п = 7.

При схлопывании кавитационного пузырька выделяется кинетическая энергия, которая превращается в энергию активации разрушения камбиального слоя, снижению плотности слоев коры и отрыва небольших её частиц:

Жкин=2яри2Я4]~ = 27григЯ\ (19)

я г

где и - скорость сферической стенки, м/с; Я - мгновенный радиус захлопывающейся сферы, мм.

Скорость определяется по следующей формуле:

^о__1

где Я0- первоначальный радиус сферы, мм (рис. 4).

В связи с тем, что в момент захлопывания полости скорость движения сферической стенки становится соизмеримой со скоростью звука в жидкой среде необходимо выбрать аппроксимацию движения границы раздела, учитывающую эффекты сжимаемости жидкости. Такой аппроксимацией является аппроксимация Кирквуда-Бете (18), которая наилучшим образом описывает стадию захлопывания кавитационного пузырька:

В результате применения метода сеток система уравнений заменятся конечно-разностной схемой:

Рис. 4. Модель кавитационного пузырька

д_, м

Я ~ Д-1

Д_! М

(АО2

ЗДчДг

ЛМД/

(21)

х1-

Д_,Д/

4-, =

-1п-

Дм

(22)

(23)

В результате выполненных работ была построена математическая модель процесса схлопывания кавитационных полостей для определения выделяющейся в этом процессе энергии, позволяющих разрушить части коры и связи между корой и древесиной.

Исходя из целевого предназначения ультразвуковой технологии окорки лесоматериалов необходимо исследование проблем экологической безопасности и факторов, обеспечивающих рациональное использование сырья и качество получаемых продуктов.

Как известно ультразвук и ультразвуковые технологии могут быть вредны для окружающей среды и человека. Степень "опасности" ультразвука определяется техническим приложением или качеством проектирования технологического процесса ультразвуковой окорки лесоматериалов. Рассматривая технологический процесс ультразвуковой окорки лесоматериалов с точки зрения экологии было определено, что данная технология может быть реализована по незамкнутому циклу (рис. 5) и быть абсолютно безвредна.

ции. Чрезмерно понижать частоту нежелательно из-за резкого возрастания шума, а также увеличения размеров излучателя.

Во всех измерениях верхняя граница полной относительной погрешности автоматизированных измерений принята равной 6%. Для изучения были выбраны инструменты разной длины с разной формой рабочего окончания. Целью измерений было увидеть характер и степень отличия акустической мощности, излучаемой в ограниченный объем воды, для различных инструментов. КПД акустических систем должен зависеть от многих параметров: площади, формы рабочего окончания инструмента, коэффициента усиления амплитуды механических колебаний, характеризующего степень связи магнитостриктора с акустической нагрузкой, согласования элементов механической колебательной системы, определяющих её резонансные характеристики, внутренних потерь, величины самой акустической нагрузки и т.д. Поэтому на данном этапе не ставилась задача найти зависимость КПД от геометрических характеристик и параметров колебательной системы, а выявить:

- диапазон значений акустической мощности и входных электрических параметров для разных акустических систем с магнитострикционными преобразователями;

- характер поведения колебательной системы при динамическом изменении условий погружения, моделирующим процесс ультразвуковой окорки лесоматериалов в лабораторных и реальных условиях.

Измерения мощности проводились в водопроводной воде при одинаковой её температуре, растоянии между инструментом и окариваемым лесоматериалом, в одном и том же желобе, в автоматическом режиме.

Для каждого из используемых в эксперименте инструментов рассчитывались электромеханический цэм> механоакустический и электроакустический т]эа КПД по методу Ганемана-Гехта, а также акустическая мощность Ра. Вычисляемые значения записывались в файлы-протоколы экспериментов, и с их помощью при последующей обработке были построены приведенные на рисунках ниже кривые.

На рис. 10, 11 показаны зависимости потребляемой и излучаемой мощности от напряжения питания оконечного каскада генератора для одного из трех магни-тострикционных преобразователей.

Зависимость потребляемой мощности от напряжения для 1 узла

60 50 40 30 20 10

/ -

И \

Ф- Г""

10 15 20 25 30 35 40 Напряжение, В

♦ - Инструмент 1 -к~ Инструмент 2

Инструмент 3 Инструмент 4 —*— Инструмент 5

• - Инструмент 6 —)— Инструмент?

-Инструмент 8

~— ■ Инструмент 9 -о— Инструмент 10 -о—Инструмент 11 -Л- Инструмент 12

Рис. 10. Зависимости потребляемой мощности от напряжения питания оконечного каскада

усилителя.

Зависимость акустической мощности для 1 узла

12000 10000 8000 6000 4000 2000

0 -1-

т.

I к т

! ....... Г\1

■—Инструмент 1 I-Инструмент 2 Инструмент 3 Инструмент 4 Инструмент 5 ►—Инструменте

— Инструмент?

— Инструмент 8 ■ Инструмент 9

»—Инструмент 10 }— Инструмент 11 V-Инструмент 12

10 15 20 25 30 35 40 Напряжение, В

Рис. 11. Зависимости излучаемой (акустической) мощности от напряжения питания оконечного каскада усилителя.

Прежде всего заметно, что потребляемая мощность в общем случае нелинейно зависит от напряжения питания. Было замечено несколько характерных типов зависимости.

1 тип. Акустическая мощность практически линейно зависит от напряжения питания оконечного каскада ультразвукового генератора.

Этот тип зависимости отмечен для инструментов 1-3, т.е. для коротких лопаток длиной 1-2 полуволны. Из-за небольшой длины, а, следовательно, меньшей возможности параметрического резонанса, эти инструменты совершают в основном продольные колебания, благодаря чему их акустическая мощность не рассеивается при межмодовых переходах, а излучается в нагрузку.

ки и образования. - 2013. - № 2. - Режим доступа: Ийр:/Ау\у\у.5с{епсе-education.ru/108-8679.

8. Гаспарян, Г.Д. Основы метода и технологии ультразвуковой окорки круглых лесоматериалов [Текст] / Г.Д. Гаспарян // Фундаментальные исследования. -2013. -№ б (часть 1).-С.19-23.

9. Гаспарян, Г.Д. Моделирование гидродинамического давления, инициированного излучателем при ультразвуковой окорке лесоматериалов [Электронный ресурс] // Современные проблемы науки и образования. - 2013. - № 3. - Режим доступа: http://www.science-education.ru/109-8959.

10. Гаспарян, Г.Д. Влияние волн на кору с целью оценки эффективности ультразвуковой окорки лесоматериалов [Текст] / Г.Д. Гаспарян // Фундаментальные исследования. - 2013. - № 6 (часть 4). - С.818-822.

11. Гаспарян, Г.Д. Методы постановки экспериментов ультразвуковой окорки лесоматериалов [Электронный ресурс] // Современные проблемы науки и образования. - 2013. - № 4. - Режим доступа: http://www.science-education.ru/110-9496.

12. Гаспарян, Г.Д. Моделирование процесса ультразвуковой окорки лесоматериалов [Электронный ресурс] // Современные проблемы науки и образования. - 2013. - № 5. - Режим доступа: http://www.science-education.rU/l 11-9892 .

13. Математическое моделирование кавитации в процессе окорки лесоматериалов в водкой среде [Текст] / В.А. Иванов, Г.Д. Гаспарян // Системы. Методы. Технологии. 2013. № 3(19). - С. 110-118.

Монографии

14. Гаспарян, Г.Д. Энергосберегающие технологии окорки круглых лесоматериалов [Текст] : монография / Г.Д. Гаспарян. - Братск: ФГБОУ ВПО «БрГУ», 2012.-150 с.

Патенты на изобретения

15. Гаспарян, Г.Д. Пат. на изобр. 2275299 Российская Федерация, МПК В27Ъ 1/00 Способ окорки лесоматериалов ультразвуком / Г.Д. Гаспарян; заявитель и патентообладатель ГОУ ВПО «Братский государственный университет» - 2006.

16. Гаспарян, Г.Д. Пат. на изобр. 2480326 Российская Федерация, МПК В27Ь 1/00 Способ окорки лесоматериалов ультразвуком в воздушной среде / Г.Д. Гаспарян; заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВПО «Братский государственный университет» -2013.

Публикации в сборниках ведущих НИИ, ВУЗов и других изданиях

17. Гаспарян, Г.Д. Технологический процесс окорки лесоматериалов с помощью ультразвукового излучения [Текст] / Г.Д. Гаспарян, Г.Л. Козинов // Естественные инженерные науки - развитию регионов: Материалы межрегиональной научно-технической конференции. - Братск, 2002, - С. 70 — 71.

18. Гаспарян, Г.Д. Процесс окорки лесоматериалов ультразвуком [Текст] / Братск, гос. техн. ун-т, - Братск, 2002. - 7с.: 1 илл. - Библиогр. 3 назв. - Рус. -Деп. в ВИНИТИ. 03.12.2002, № 2080-В2002.

19. Гаспарян, Г.Д. Окорка сортиментов ультразвуковым излучением [Текст] / Г.Д. Гаспарян // Социально-экономические и экологические проблемы лесного

комплекса. Сборник материалов международной научно-технической конференции Урал. гос. лесотехн. Ун-т. - Екатеринбург, 2003, - С. 202 - 204.

20. Гаспарян, Г.Д. Определение технологичности колебательной системы при ультразвуковой окорке лесоматериалов [Текст] / Братск, гос. техн. ун-т. - Братск, 2004. - 20 е.: ил. - Библиогр. 4 назв. - Рус. - Деп. в ВИНИТИ. 02.03.2004, № 366-В2004.

21. Гаспарян Г.Д. Математическое моделирование ультразвуковой колебательной системы [Текст] Z Братск, гос. техн. ун-т. - Братск, 2004. - 11 е.: ил. -Библиогр. 4 назв. - Рус. - Деп. в ВИНИТИ. 02.03.2004, № 364-В2004.

22. Гаспарян, Г.Д. Исследование процесса кипения камбиального слоя посредством ультразвуковых волн. Процесс отслоения корки и луба [Текст] Z Г.Д. Гаспарян ZZ Естественные и инженерные науки - развитию регионов. Материалы межрегиональной научно-технической конференции. - Братск, 2004, - С. 161-162.

23. Гаспарян, Г.Д. Технолого-экологическая оптимизация процесса окорки лесоматериалов с применением ультразвука [Текст] Z Г.Д. Гаспарян II Труды Братского государственного технического университета. - Том 2. - Братск, 2003, -С. 303-307.

24. Гаспарян, Г.Д. Разработка математической модели ультразвуковой колебательной системы [Текст] Z Г.Д. Гаспарян ZZ Лесной и химический комплексы -проблемы и решения (экологические аспекты): Научно-практическая конференция. Сборник статей студентов и аспирантов СибГТУ. - Часть 2. - Красноярск, 2004,-С. 197-200.

25. Гаспарян, Г.Д. Разработка технолого-экологической модели при технологическом процессе окорки лесоматериалов [Текст] / Г.Д. Гаспарян ZZ Лесной и химический комплексы - проблемы и решения (экологические аспекты): Научно-практическая конференция. Сборник статей студентов и аспирантов СибГТУ. -Часть 2. - Красноярск, 2004, - С. 200-202.

26. Гаспарян, Г.Д. Разработка технолого-экологической модели при технологическом процессе окорки лесоматериалов [Текст] Z Г.Д. Гаспарян ZZ Лесной и химический комплексы - проблемы и решения (экологические аспекты): Научно-практическая конференция. Сборник статей студентов и аспирантов. - Красноярск: СибГТУ, Часть 2,2004. - С. 201-203.

27. Гаспарян, Г.Д. Свойства материалов резонансных элементов ультразвуковых инструментов установки для ультразвуковой окорки лесоматериалов [Текст] Z Г.Д. Гаспарян ZZ Естественные и инжинерные науки - развитию регионов: Материалы Межрегиональной научно-технической конференции. - Братск: ГОУ ВПО «БрГУ», 2005. - С. 112-113.

28. Гаспарян, Г.Д. Анализ физических свойств ультразвуковой окорки лесоматериалов [Текст] Z Г.Д. Гаспарян ZZ Естественные и инжинерные науки - развитию регионов: Материалы Межрегиональной научно-технической конференции. -Братск: ГОУ ВПО «БрГУ», 2005. - С. 113-114.

29. Гаспарян, Г.Д. Теоретические и экспериментальные исследования воздействия ультразвуковых волн на кору лесоматериалов с целью его окорки [Текст] / Г.Д. Гаспарян; Братск, гос. ун-т, - Братск, 2006. - 7 е.: ил. - Библиогр. 4 назв.-Рус.- Деп. в ВИНИТИ 16.11.2006, №1399-В2006.

30. Гаспарян, Г.Д. Ультразвуковые колебания на границах коры и древесины при ультразвуковой окорке [Текст] / Г.Д. Гаспарян // Естественные и инженерные науки - развитию регионов: Материалы Межрегиональной научно-технической конференции. - Братск: ГОУ ВПО «БрГУ», 2007 - С. 98-100.

31. Гаспарян, Г.Д. Математическое моделирование колебательной системы установки для ультразвуковой окорки лесоматериалов [Текст] / Г.Д. Гаспарян // Математическое моделирование, численные методы и комплексы программ: Межвузовксий тематический сборник трудов. Вып. 13 / СПбГАСУ. - СПб., 2007. -С. 195-203.

32. Гаспарян, Г.Д. Обоснование процесса окорки лесоматериалов ультразвуком [Текст] / Г.Д. Гаспарян // Леса России в XXI веке. Материалы I международной научно-практической интернет-конференции: 2009 г./Под редакцией авторов. - СПб.: СПбЛТА, 2009. - С. 242-244.

33. Гаспарян, Г.Д. Обоснование технологической схемы окорки лесоматериалов ультразвуком [Текст] / Г.Д. Гаспарян // Труды Братского государственного университета: Сер.: Естественные и инженерные науки - развитию регионов Сибири: в 2 т. - Братск: ГОУ ВПО «БрГУ», 2009. - Т.2 - С. 215-218..

34. Гаспарян, Г.Д. Состояние рынка деревянного домостроения на примере сибирского федерального округа [Текст] / Г.Д. Гаспарян // Деревообработка: технологии, оборудование, менеджмент XXI века. Труды V международного евразийского симпозиума / Под научной ред. В.К. Новоселова - Екатеринбург, 2010. -С. 274-279.

35. Гаспарян, Г.Д. Энергосберегающий способ окорки лесоматериалов ' [Текст] / Г.Д. Гаспарян // Деревообработка: технологии, оборудование, менеджмент XXI века. Труды VI международного евразийского симпозиума / Под научной ред. М.В. Газеева - Екатеринбург, 2011. - С. 268-270.

36. Гаспарян, Г.Д. Анализ ультразвуковых технологий, с целью оценки интродукции в производство [Текст] / Г.Д. Гаспарян, М.Д. Гаспарян // Естественные и инженерные науки - развитию регионов Сибири: материалы XI (ХХХШ) Всероссийской научно-технической конференции. - Братск: БрГУ, 2012. - С. 143-145.

37. Гаспарян, Г.Д. Перспективы применения ультразвука при окорке лесоматериалов [Текст] / Г.Д. Гаспарян, М.Д. Гаспарян // Труды Братского государственного университета: Сер.: Естественные и инженерные науки - развитию регионов Сибири: в 2 т. - Братск: Изд-во БрГУ, 2012. - Т.2 - С. 102-110.

38. Гаспарян, Г.Д. Использование коры, получаемой при окорке лесоматериалов ультразвуком [Текст] / Г.Д. Гаспарян, М.Д. Гаспарян, И.А. Адам // Труды Братского государственного университета: Сер.: Естественные и инженерные науки - развитию регионов Сибири: в 2 т. - Братск: Изд-во БрГУ, 2012. - Т.2 - С. 110-116.

Просим принять участие в работе диссертационного совета Д212.146.03 или выслать Ваш отзыв на автореферат в двух экземплярах с заверенными подписями по адресу 141001, г. Мытищи, ул. 1-ая Институтская, д. 1, ФГБОУ ВПО «МГУЛ» учёному секретарю. Тел. 8(498)687-38-81, e-mail: iichsovet@ingul.ac.ru

Гаспарян Гарнк Давидович

МЕТОДОЛОГИЧЕСКИЕ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРОЦЕССА ОКОРКИ ЛЕСОМАТЕРИАЛОВ УЛЬТРАЗВУКОМ

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Подписано к печати 30.11.13 г. Заказ № 1872 Объем - Уел п. л. 2,2 Тир. 100 экз. Отпечатано в ООО «Падунская типография». Адрес: ул. 25 лет БГС, 43А г.Братск, 2013

Текст работы Гаспарян, Гарик Давидович, диссертация по теме Технология и машины лесозаготовок и лесного хозяйства

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«БРАТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

05201450502

На правах рукописи

Гаспарян Гарик Давидович

МЕТОДОЛОГИЧЕСКИЕ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРОЦЕССА ОКОРКИ ЛЕСОМАТЕРИАЛОВ УЛЬТРАЗВУКОМ

05.21.01 - Технология и машины лесозаготовок и лесного хозяйства

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени доктора технических наук

Научный консультант: доктор технических наук, доцент ИВАНОВ В.А.

Братск -2013

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ...........................................................................8

Глава 1. СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ.. 17

1.1. Существующие способы окорки лесоматериалов................17

1.1.1. Фрикционный способ окорки..........................................18

1.1.2. Режущий способ окорки................................................22

1.1.3. Гидравлическая окорка.................................................23

1.1.4. Пневматическая окорка.................................................24

1.1.5. Термокомпрессионный способ окорки..............................24

1.1.6. Электрогидравлический способ окорки.............................24

1.1.7. Сверхвысокочастотный способ окорки.............................25

1.1.8. Электрический способ окорки.........................................26

1.1.9. Окорка обжимом.........................................................26

1.1.10. Химический способ окорки деревьев на корню...................26

1.2. Современные методы использования ультразвука в технологических процессах............................................28

1.2.1. Основные параметры ультразвукового излучения................30

1.2.1.1. Физические параметры ультразвука.................................31

1.2.1.2. Энергетические параметры ультразвука............................34

1.2.1.3. Распространение ультразвука.........................................35

1.2.2. Применение ультразвука...............................................36

1.2.2.1. Получение информации с помощью ультразвука.................37

1.2.2.2. Воздействие ультразвука на вещество...............................43

1.2.2.3. Обработка и передача сигналов.......................................51

1.2.3. Ультразвуковые технологии в лесной промышленности........54

1.2.3.1. Технология сушки древесины.........................................60

1.2.3.2. Технология уплотнения древесины..................................62

1.3. Выводы и основные задачи исследований..........................64

Глава 2. КОМПЛЕКСНЫЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ И ТЕХНОЛОГИИ ОКОРКИ ЛЕСОМАТЕРИАЛОВ УЛЬТРАЗВУКОМ..........................68

2.1. Математическое моделирование технических средств для

окорки лесоматериалов ультразвуком...............................69

2.1.1. Математическое моделирование окаривающей колебательной системы.................................................70

2.1.2. Математическое моделирование генератора для ультразвуковой окорки лесоматериалов.............................71

2 2

' ' Математическое моделирование процесса окорки

лесоматериалов ультразвуком.........................................85

2.2.1. Математическое моделирование возникновения кавитационного эффекта при ультразвуковой окорке лесоматериалов...........................................................86

2.2.1.1. Возникновение и динамика кавитационного пузырька...........87

2.2.1.2. Рост и схлопывание кавитационного пузырька при разрушении слоёв коры.................................................105

2.2.1.3. Энергия, возникающая при схлопывании кавитационного пузырька для разрушения связи между корой и древесиной... 108

2.2.1.4. Излучение звука кавитационным пузырьком, инициированным ультразвуковым полем в жидкости...........111

2.2.2. Математическое моделирование гидродинамических потоков рабочей среды, инициированных ультразвуковыми осцилляторами............................................................113

2.3. Концептуальное моделирование технолого-экологических аспектов окорки лесоматериалов ультразвуком...................132

2.4. Физико-механические и химические свойства коры различных древесных пород...........................................159

2.4.1. Физико-механические свойства коры................................165

2.4.2. Химические свойства коры............................................170

2.5. Выводы по главе..........................................................174

Глава 3. МЕТОДИКА И РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ОКОРКИ ЛЕСОМАТЕРИАЛОВ УЛЬТРАЗВУКОМ........................................................176

3.1. Методика постановки экспериментальных исследований характеристик технических систем и оборудования..............176

3.2. Методика постановки экспериментальных исследований процесса окорки лесоматериалов ультразвуком...................181

3.3. Экспериментальная установка для исследования параметров технических систем и технологии окорки лесоматериалов ультразвуком..............................................................181

3.4. Экспериментальные исследования характеристик технических систем и оборудования................................182

3.4.1. Результаты экспериментальных исследований характеристик ультразвукового концентратора.......................................183

3.4.2. Результаты экспериментальных исследований характеристик ультразвукового излучателя............................................189

3.5. Результаты экспериментальных исследований качественных и эксплуатационных характеристик окаривающих ультразвуковых инструментов........................................192

3.5.1. Статические измерения качественных и эксплуатационных характеристик.............................................................193

3.5.2. Динамические измерения качественных и эксплуатационных характеристик.....................................204

3.6. Результаты экспериментальных исследований процесса окорки лесоматериалов ультразвуком...............................209

3.7. Выводы по главе.........................................................214

Глава 4. МЕТОДЫ И ТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА РАЗРАБОТКИ ТЕХНОЛОГИИ ОКОРКИ ЛЕСОМАТЕРИАЛОВ УЛЬТРАЗВУКОМ........................................................216

4.1. Общие требования, предъявляемые к ультразвуковым технологическим установкам..........................................216

4.2. Обоснование системы параметров ультразвуковых генераторов................................................................230

4.2.1. Генераторы, применяемые в ультразвуковых технологиях......230

4.2.2. Обоснование параметров генератора для окорки лесоматериалов ультразвуком.........................................233

4.3. Обоснование комплекса показателей ультразвуковой колебательной системы................................................235

4.3.1. Обоснование параметров ультразвукового преобразователя....240

4.3.2. Согласование параметров преобразователей со средой.........244

4.3.3. Обоснование параметров ультразвукового концентратора......248

4.3.4. Обоснование параметров излучателей и его элементов.........253

4.3.5. Свойства материалов резонансных элементов ультразвуковых инструментов........................................261

4.4. Технологическая установка для исследования ультразвуковой окорки лесоматериалов............................................263

4.5. Обоснование технологичности технических систем окорки лесоматериалов ультразвуком.........................................265

4.5.1. Общая методика расчёта комплексного показателя (коэффициента) технологичности изделия.........................266

4.5.2. Определение комплексного показателя технологичности ультразвуковой колебательной системы для окорки лесоматериалов...........................................................269

4.6. Разработка комплексных методов по устранению допустимых вредных воздействий при реализации

технологического процесса окорки лесоматериалов

ультразвуком..............................................................282

4.7. Выводы по главе.........................................................287

Глава 5. КОМПЛЕКСНОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ И ПЕРЕРАБОТКА ОТХОДНОЙ КОРЫ, ПОЛУЧЕННОЙ ПРИ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ОКОРКЕ ЛЕСОМАТЕРИАЛОВ...........289

5.1. Пути утилизации коры..................................................289

5.2. Использование коры в качестве топлива............................291

5.3. Использование коры в сельском хозяйстве.........................291

5.4. Использование коры для получения дубильных экстрактов... .294

5.5. Использование коры в ландшафтном дизайне и лесопитомническом хозяйстве........................................295

5.6. Использование коры в производстве строительных материалов................................................................300

5.7. Выводы по главе.........................................................305

Глава 6. РЕАЛИЗАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ И

КОМПЛЕКСНАЯ ОЦЕНКА ЭКОНОМИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ.....................................................306

6.1. Реализация результатов исследований..............................306

6.1.1. Характеристика опасных и вредных факторов, возникающих

в процессе изготовления и эксплуатации...........................306

6.1.2. Технические требования и рекомендации на разработку и внедрение в производство ультразвукового технологического комплекса..........................................310

6.2. Комплексная оценка экономической эффективности............314

6.2.1. Оценка производительности технологического комплекса

для окорки лесоматериалов ультразвуком..........................314

6.2.2. Оценка экономической эффективности технологии ультразвуковой окорки лесоматериалов.............................315

6.3. Выводы по главе.........................................................318

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ.....................................319

Список использованных источников............................................321

ПРИЛОЖЕНИЯ......................................................................348

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы исследований. При комплексном и экономически выгодном использовании древесного сырья возникает требование обязательной его окорки, которую выполняют на предприятиях лесной промышленности или непосредственно у потребителей древесного сырья [20, 108].

Также при окорке лесоматериалов существующим оборудованием происходит потеря древесины (в барабанах до 1,5...8 %, в роторных станках до 0,5...7 %) [39]. На потери древесины также влияет требуемая степень удаления коры. Полное удаление коры приводит к значительным экономически неоправданным потерям древесины, поэтому в древесине, идущей на химическую переработку допускается наличие некоторого количества коры, содержание которой регламентируется в зависимости от конечного продукта.

Учитывая многолетние исследования в области применения ультразвукового излучения, а также изучение физических и акустических свойств в работе предлагается новое технологическое решение -использование ультразвукового излучения (УЗИ) в технологическом процессе окорки древесины.

В нашей стране до 90-х годов активная разработка, изготовление и внедрение ультразвуковых технологий в промышленность осуществлялась десятками научно-производственных центров, научное и методическое обеспечение которыми осуществлялось Акустическим институтом АН РФ [133, 143, 148-153].

Вместе с тем, достижения ультразвуковых технологий за исключением медико-диагностической направленности до настоящего времени почти не известны и не используются в практической и бытовой деятельности человека.

Высокая эффективность УЗ воздействий на различные технологические процессы и образование новых подтверждена многочисленными исследованиями и опытом более чем тридцатилетнего применения на ряде предприятий различных отраслей промышленности.

Развитие УЗ техники и технологии сдерживается также низкой информированностью потребителей об эффективности УЗ воздействий и отсутствием методических рекомендаций, учитывающих особенности применения УЗ технологий в условиях малых производств, сельском и домашнем хозяйстве.

Известно, что Президент РФ объявил Приоритетные направления развития науки, технологий и техники в Российской Федерации, и настоящие исследования соответствуют двум направлениям:

- Рациональное природопользование;

- Энергоэффективность, энергосбережение, ядерная энергетика.

Степень разработанности проблемы. Важной проблеме окорки

лесоматериалов посвящен целый спектр работ, направленных на исследование различных принципов и способов с различными технологическими и техническими решениями. Однако вопросы оптимизации параметров технологического процесса окорки лесоматериалов, с точки зрения энергоэффективности, качества окорки, безопасности и многих других качественных показателей является до сих пор не решёнными в полной мере.

Большой вклад в развитие техники и технологии окорки лесоматериалов внесли такие отечественные и зарубежные учёные как: Бойков С.П., Пигильдн Н.Ф., Залегаллер Б.Г., Пижурин A.A., Полозов М.И., Пыстин А.И., Зыков Ф.И., Никифоров В.М., Силаев В.И., Торговников Г.И., Симонов М.Н., Мехренцев A.B., Юн Е.В., Воробьёв И.В., Крисько A.C., Газизов A.M., Гумерова О.М., Югов В.Г., Цывин М.М., Rosko P., Butora A., Calver W.W., Carlicki A.M. и многие другие [20, 38, 41, 49, 73,74, 82-84, 97, 104, 105, 108, 114, 129-132, 136, 136-139, 146, 154, 175, 179, 253, 256, 257-259, 262, 264].

Большинство работ Бойкова С.П., Пигильдина Н.Ф., Редькина А.К. и др. посвящены механической окорке лесоматериалов различными способами. Во многих обзорных работах Львовского Л.В., Орлова А.Т., Мальцева Н.Ф. и др. принципы и способы окорки лесоматериалов условно разделяли по различным признакам: контактные и бесконтактные; механические и немеханические; традиционные и нетрадиционные. Львовский Л.В. и Орлов А.Т. к традиционным способам окорки относят

такие, как окорку роторными окорочными станками или цепными, а к нетрадиционным - СВЧ, гидравлический, химический.

Учитывая многолетние исследования в области применения ультразвукового излучения, а также изучение физических и акустических свойств в работе предлагается новое технологическое решение -использование ультразвукового излучения (УЗИ) в технологическом процессе окорки древесины.

Большой вклад в области изучения технологии ультразвука внесли многие отечественные и зарубежные учёные такие как: Бергман Л.Г., Красильников В.А., Михайлов И.Г., Соловьёв В.А., Сырников Ю.П., Викторов И.А., Холопов Ю.В., Хмелёв В.Н.,. Фаерман В.Т, Уразовский С.С., Полоцкий И.Г., Аграната Б.А., Галямина И.П. и многие другие [1-5, 13, 14, 17, 26, 18-30, 33-35, 44, 52, 53, 57, 58, 63-65, 67, 69, 72, 75, 81, 88-90,

- 1292-96, 99-103, 107, 117-120, 123-127, 133, 143, 144, 148-153, 155-172, 176178, 180, 181, 189, 199, 232].

Учёные Абрамов О.В., Абрамов В.О., Градов О.М., Смирнов О.М., Зоммер Ф. в своих работах приводят исследования процессов ультразвукового ударного упрочнения различных материалов, но при этом нет описания воздействия на лесоматериалы. Большой вклад в развитие ультразвуковых технологий внёс учёный В.Н. Хмелёв, применяя физические явления под действием ультразвука в различных биологических веществах в сельском хозяйстве.

Вопросам воздействия ультразвука на различные материалы посветили многие учёные И.А. Викторов, Ю.В. Холопов, В.Н. Хмелёв, В.Т. Фаерман, С.С. Уразовский и др.

Целю работы является повышение эффективности процесса окорки лесоматериалов путём внедрения нового технологического решения с применением ультразвука.

Объектом исследования является технологический процесс окорки круглых лесоматериалов.

Предметом исследований служат технологии, технологические комплексы и технические системы применения ультразвука в процессе окорки лесоматериалов.

Методы исследований. Для решения поставленных в работе проблем используются методы теории анализа, кон

Похожие работы

Технология, машины и оборудование лесозаготовок, лесного хозяйства, деревопереработки и химической переработки биомассы дерева
05.21.00