автореферат диссертации по технологии, машинам и оборудованию лесозаготовок, лесного хозяйства, деревопереработки и химической переработки биомассы дерева, 05.21.01, диссертация на тему:Обоснование конструктивных и технологических параметров фракционирования древесной щепы на оборудовании с поэтажной компоновкой сит

На правах рукописи

Кульбицкий Артем Валерьевич

ОБОСНОВАНИЕ КОНСТРУКТИВНЫХ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ФРАКЦИОНИРОВАНИЯ ДРЕВЕСНОЙ ЩЕПЫ НА ОБОРУДОВАНИИ С ПОЭТАЖНОЙ КОМПОНОВКОЙ СИТ

Специальность: 05.21.01 - Технология и машины лесозаготовок и лесного хозяйства (технические науки)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 6 псц

Петрозаводск - 2010

004617776

Работа выполнена в государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Петрозаводский государственный университет»

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Колесников Геннадий Николаевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Григорьев Игорь Владиславович

Ведущая организация: Северный (Арктический) федеральный университет (г. Архангельск)

Защита состоится 24 декабря 2010 г. в 16 часов на заседании диссертационного совета Д 212.190.03 при Петрозаводском государственном университете по адресу: 185910, г. Петрозаводск, пр. Ленина, 33.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Петрозаводского государственного университета.

Автореферат разослан гг ноября 2010 г.

Ученый секретарь

кандидат технических наук Никонова Юлия Васильевна

диссертационного совета

Р. В. Воронов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Древесная щепа как результат переработки круглых лесоматериалов производится в больших количествах и потребляется на целлюлозно-бумажных комбинатах (ЦБК). Так, только три ЦБК в республике Карелия в городах Кондопога, Питкяранта и Сегежа рассчитаны на ежегодную переработку примерно трёх миллионов куб. м круглых лесоматериалов, после очистки от коры поступающих в виде балансов на рубительные машины для получения щепы, определенная фракция которой после сортировки по крупности частиц используется для варки целлюлозы. Щепа используется также в качестве биотоплива и в других целях. Имеет место тенденция к росту объемов производства и потребления щепы в России и в других странах [http://timber.unece.org].

Необходимым звеном в технологии подготовки щепы к дальнейшему использованию является фракционирование (сортировка) по крупности частиц, что осуществляется на ЦБК методом рассева на оборудовании с поэтажной компоновкой сит производительностью, например, от 150 до 950 насыпных куб. м в час с выделением из исходной щепы некондиционных (мелких и крупных) частиц [www.pbm.onego.rn]. Новые требования к качеству продукции, энергосбережению и рациональному природопользованию предопределяют актуальность исследований многоплановой проблемы совершенствования процесса фракционирования щепы.

Данная проблема сводится к ряду задач, предполагающих для своего решения применение экспериментальных методов и методов математического моделирования изменений фракционного состава щепы в процессе рассева. Однако основное внимание в публикациях, включая Интернет-ресурсы, фокусируется на исследованиях фракционирования (сепарирования, сортировки, классификации) других сыпучих материалов (зерно и продукты его переработки, семена, рудные и нерудные материалы). В меньшей степени изучены закономерности фракционирования древесной щепы. Существенные различия технологий переработки и свойств сыпучих материалов неизбежно отражаются на особенностях методик расчета. Поэтому применительно к проблеме фракционирования щепы актуальны задачи обоснования рекомендаций по совершенствованию данного процесса и модернизации оборудования с поэтажной компоновкой сит.

Цель работы: повышение эффективности фракционирования древесной щепы на оборудовании с поэтажной компоновкой сит путём экспериментального исследования и математического моделирования при решении задач по обоснованию конструктивных и технологических параметров.

Задачи, решение которых необходимо для достижения данной цели:

1. Выполнить анализ публикаций по развитию технологии и методов расчета в данной области прикладных исследований.

2. Разработать методику расчета изменений концентрации кондиционных частиц щепы в процессе фракционирования по критерию крупности.

3. С применением разработанной методики исследовать влияние соотношения рабочей длины сит на эффективность фракционирования щепы.

4. Экспериментально исследовать влияние конструктивных и технологических параметров на производительность оборудования и качество технологической щепы (на примере установки СЩ-120).

5. На основе полученных результатов обосновать выводы и рекомендации по изменению соотношения рабочей длины сит с целью повышения качества технологической щепы и по определению толщины слоя щепы на сите для обеспечения заданной производительности.

Объект исследования: технологический процесс и модель фракционирования щепы методом рассева на системе сит.

Предмет исследования: закономерности влияния технологических и конструктивных параметров на изменение фракционного состава щепы в процессе рассева и возможности повышения эффективности фракционирования с обеспечением заданной производительности оборудования.

Теоретической и методологической работы являются труды отечественных и зарубежных авторов, в которых обосновываются методы расчета, методики экспериментальных исследований и направления совершенствования технологии фракционирования (сортировки) щепы и других близких по свойствам сыпучих материалов.

Методы исследования. При решении комплекса поставленных задач использовались: экспериментальные испытания установок для фракционирования щепы, лабораторные методы определения гранулометрического состава древесной щепы, методы математического моделирования процесса рассева сыпучих материалов. Численные результаты моделирования, решения модельных технологических задач и обработка экспериментальных данных получены с применением Microsoft Excel.

Научная новизна характеризуется тем, что:

1. Предложена физическая модель фракционируемого сыпучего материала с изменяющейся в процессе рассева концентрацией проходных и непроходных частиц, различающихся крупностью.

2. На основе данной модели разработана новая методика расчета изменений концентрации частиц кондиционной фракции и эффективности фракционирования, отличающаяся тем, что, с целью упрощения

расчета параметров фракционирования на оборудовании с поэтажной компоновкой сиг с учетом их рабочей длины, вычисления сведены к решению логистического уравнения, а для оценки эффективности рассева использована относительная концентрации проходных частиц в надре-шётном продукте.

3. С применением разработанной методики обосновано техническое решение по модернизации оборудования с поэтажной компоновкой сит, в котором путем подбора соотношения рабочей длины и взаимного положения сит достигается повышение эффективности рассева и качества технологической щепы без уменьшения производительности оборудования.

4. Экспериментально исследовано влияние толщины слоя фракционируемой щепы и угла наклона прямоугольных сит на производительность оборудования, что позволяет прогнозировать продолжительность и качество технологической щепы на ЦБК.

5. Полученные результаты могут быть адаптированы к исследованиям по модернизации оборудования для рассева определенного класса сыпучих материалов, частицы которых имеют одинаковую плотность, но различаются крупностью (песок, щебень и т. д.).

Достоверность полученных результатов обеспечена корректностью постановки задачи с использованием для решения закона сохранения массы и других общепринятых положений. Достоверность результатов работы подтверждена данными расчетов и испытаний, в том числе выполненными в реальных условиях на ЦБК и другими, известными по литературе.

Практическая значимость работы определяется созданием экспериментальной и теоретической методик решения достаточно широкого класса технологических задач фракционирования сыпучих материалов по крупности частиц, которая может быть использована при модернизации существующего и проектировании нового оборудования.

Результаты, выносимые на защиту:

1. Обоснование физической модели рассева древесной щепы как сыпучего материала с изменяющейся в процессе рассева концентрацией проходных и непроходных частиц.

2. Методика расчета изменений концентрации частиц кондиционной (некондиционной) фракции щепы и эффективности рассева.

3. Обоснование технического решения по модернизации оборудования с поэтажной компоновкой сит, в котором путем подбора соотношения рабочей длины сит обеспечивается повышение эффективности рас-

сева и качества технологической щепы без уменьшения производительности оборудования.

4. Результаты экспериментов по исследованию влияния толщины слоя фракционируемой щепы и угла наклона сит на производительность оборудования.

5. Рекомендации, обеспечивающие повышенно эффективности рассева и улучшение качества технологической щепы на ЦБК.

Апробация работы осуществлена на следующих конференциях:

Ежегодная научная конференции Санкт-Петербургской лесотехнической академии (2007 г.);

Третья международная научно-практическая Интернет-конференция «Леса России в XXI веке», (http://ftacademy.ru, СПбГЛТА, 2010 г.);

VII Всероссийская научная конференция "Математическое моделирование и краевые задачи", (Самарский гос. техн. университет, 2010);

Международная научно-техническая конференция «Наука и образо-вание-2010». (Мурманск, МГТУ, 5-9 апреля 2010 г.).

62-я научная конференция студентов, аспирантов и молодых учёных ПетрГУ (2010 г.);

Семинары кафедры целлюлозно-бумажных и деревообрабатывающих производств ПетрГУ (2009-2010 г.).

Публикации. Основное содержание диссертации изложено в шести работах, их них две статьи в журнале, указанном в перечне ВАК РФ.

Часть работы, связанная с обоснованием расчетных соотношений, выполнена при поддержке РФФИ (проект 08-08-00979, руководители В.Н. Бакулин, Г. Н. Колесников).

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, списка литературы и приложения. Общий объем работы составляет 115 страниц, в том числе 15 таблиц, 19 рисунков. Список литературы включает в себя 107 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы работы, определены цель и задачи, приведена общая характеристика работы.

Первая глава - обзорная. Рассмотрены современные технологии получения и переработки щепы, приведены характеристики щепы. Кратко рассмотрено оборудование для окорки балансов и для их измельчения, поскольку различия размеров и формы частиц щепы зависят от особенностей данного оборудования. Более подробно отражены технико-экономические характеристики оборудования для получения и сортировки щепы.

Отмечено, что закономерно возрастающие с течением времени требования к качеству продукции, к уменьшению затрат энергии и труда предопределяют необходимость совершенствования методик расчета и технологии, модернизации оборудования для фракционирования щепы и других сыпучих материалов.

В работах В. А. Огурцова, С. В. Федосова, В. Е. Мизонова (2008-2010) на основе теории цепей Маркова разработана математическая модель кинетики (миграции) частиц сыпучих материалов, учитывающая влияние конструктивных особенностей оборудования и технологических факторов на продолжительность и эффективность рассева.

В работе О. Г. Локтионовой (2008) для моделирования течения гранулированного материала применен метод крупных частиц с адаптивно изменяющимся шагом интегрирования, что позволило теоретически изучать поведение как однородных, так и неоднородных гранулированных материалов при различных законах изменения вибрационного ускорения.

В исследованиях В. А. Арсентьева, И. И. Блехмана, JI. И. Блехмана, JI. А. Вайсберга, К. С. Иванова, A.M. Кривцова (2010) показана перспективность применения метода дискретных элементов для моделирования и оптимизации технологических процессов переработки сыпучих материалов.

Новые подходы позволяют более точно оценить влияние конструктивных и технологических факторов на эффективность переработки сыпучих материалов. Однако разработанные к настоящему времени модели фракционирования сыпучих материалов не позволяют ответить на ряд вопросов, возникающих при проектировании и модернизации оборудования, что отражено, например, в работе В. А. Огурцова (2010) применительно к переработке строительных материалов. Источником таких вопросов являются, в частности, задачи моделирования рассева на системе сит. Известные методики остаются достаточно сложными для внедрения в практику инженерных расчетов. Сравнение методик расчета сепарации зерна и продуктов его переработки выполнили С. Н. Браса-лин (2004, 2006) и М. Е. Шварцман (2010). Систематическому изучению закономерностей фракционирования (сортирования) древесной щепы посвящен ряд работ С. Б. Васильева.

Наряду с указанными выше приняты во внимание работы следующих авторов: С. Е. Андреев, В. А. Петров, В. В. Зверевич (1980); Н. М. Вальщиков, Э. П. Лицман (1980); М. В. Гомонай (2002); В. В. Гортинский, А. Б. Демский, М. Д. Борискин (1973); В. Б. Ефлов (2007); Н. Е. Жуковский (1896); А. Н. Журавлев (1963); В. И. Комаров (2003); Э. М. Лаут-

нер (1995); А.Дж. Линч (1981); В. П. Надутый, Е. С. Лапшин (2005); Е. А. Непомнящий (1963); В. А. Перов, Е. Е. Андреев, Л. Ф. Биленко (1990);

B. М. Цециновский (1988); А. М. Цыпук (1999); И. Р. Шегельман (1997);

C. Ф. Яцун, О. Г. Маслова (1992); A. Bjurulf (2006); H. Hartmann, Т. Böhm, P. D. Jensen, M. Temmerman, F. Rabier, M. Golser (2006); L. M. Hellström, P. A. Gradin, T. Carlberg (2008); L. M. Hellström, P. Isaksson, P. A. Gradin, K. Eriksson (2009); С. Nati, R. Spinelli, P. Fabbri (2010).

Анализ литературы подтвердил, что задачи фракционирования древесной щепы исследованы в существенно меньшей степени по сравнению с задачами фракционирования (сепарирования, сортировки, классификации) других сыпучих материалов.

В целях преодоления появляющихся в этой связи затруднений, во второй главе предложен новый в данной области прикладных исследований подход к выводу расчетных формул на основе физической модели, учитывающей особенности оборудования фракционирования древесной щепы на ЦБК. Физическая модель представлена следующей системе понятий:

1. Поступающий на сито сыпучий материал представляет собой механическую смесь частиц, различающихся крупностью и формой.

2. Соотношение размеров отверстий в сите и размеров частиц таково, что только часть материала остается на сите, а другая его часть проходит через отверстия. Соответственно, различают надрешётный продукт и подрешётный продукт, а каждая частица в зависимости от крупности может быть названа проходной или непроходной частицей.

3. Количество частиц каждого вида и общее их количество может быть выражено их массой. Объем древесной щепы определяют с учетом уплотнения или разрыхления по стандартной методике.

4. Количество проходных частиц в надрешётном продукте с течением времени уменьшается в процессе рассева.

5. Количество непроходных частиц в надрешётном продукте остается постоянным в процессе рассева. Концентрация непроходных частиц в надрешётном продукте увеличивается в процессе рассева.

6. Непроходных частиц в подрешётном продукте нет. Количество проходных частиц в подрешётном продукте возрастает в процессе рассева.

7. Физико-механические свойства и геометрические параметры частиц фракционируемой смеси в процессе рассева не изменяются.

8. Проходная частица, находящаяся в массиве надрешетного продукта, покидает надрешётный продукт, если достигает поверхности сита и попадает в отверстие сита. Требуемое для этого время зависит от тол-

щины слоя надрешётного продукта, концентрации проходных частиц, формы отверстий и от других параметров. Предполагается, что на каждом достаточно малом отрезке времени Дг уменьшение количества проходных частиц в надрешётном продукте пропорционально величине М и количеству проходных частиц в надрешётном продукте в данный момент времени.

9. Эффективность извлечения проходных частиц из надрешётного продукта определяется как отношение количества извлечённых частиц к начальному количеству проходных частиц в надрешётном продукте. Другая оценка эффективности (п. 2 Научной новизны, с. 5) рассмотрена далее.

Рабочая длина сита - длина его перфорированной части.

С использованием представленной физической модели математическое описание процесса фракционирования сводится к следующим рассуждениям. Пусть в момент времени =/ количество непроходных частиц в надрешётном продукте равно Q. Количество проходных частиц в надрешётном продукте в тот же момент времени равно Qb. Общее количество частиц в надрешётном продукте равно ()=()а +()ь- Концентрация непроходных и концентрация проходных частиц в надрешётном продукте

с„=ев/е. съ=йъ1<2- а)

В момент времени количество непроходных частиц

в надрешётном продукте останется прежним, равным Q Количество проходных частиц в надрешётном продукте уменьшится на величину и будет равно о*ь =Qb -&()ь ■ Соответственно, общее количество частиц в надрешётном продукте о* =да +Qb =Q-AQb ■ Тогда концентрация С* -Са +ДСа непроходных частиц в надрешётном продукте при /¡+1 равна

& ' (2)

0* 6-А04

Величина А()ь зависит от множества факторов, точный учет которых невозможен. Анализ физического содержания моделируемой технологической ситуации позволяет сформулировать гипотезу: величина АС)Ь пропорциональна продолжительности отрезка времени д/ и ко-

личеству проходных частиц в надрешётном продукте Qh. Необходимо

учитывать также производительность оборудования для данного материала. Пусть

О)

где Г-не изменяющийся с течением времени параметр модели, зависящий от конструктивно-технологических характеристик оборудования и свойств фракционируемого материала, имеет размерность времени и подлежит определению по результатам технологического эксперимента. Обозначим

(4)

т

Подставив (3) в (2), получим с учетом (1) и (4):

г +АС =_^_' (5)

1_д всь

или

Са + ДСа -СаАвСь -АСаАвСь -Са. (6)

Предполагая, что АСа и Д вСь достаточно малы и пренебрегая произведением АСаАвСь, получим линеаризованное соотношение АСа =СаА0Сь, которое перепишем в виде:

С,- (7)

Ав а ь

Переходя к пределу при Д#—>0 и учитывая, что Са +СЬ= Ь запишем:

а-с )• (»)

ав л

Здесь с19=Л/г . Разделяя переменные, представляя в виде суммы левую часть и интегрируя, получим:

Сй+1-Сау

{¡С=еЮ'

(9)

1пСа -\п(\-Са)=в+А ■

(10)

Постоянная А определяется из условия: Со=Со0 при 0=0 :

ш" ° <»>

Тогда

.„,£«0 ■ /Г • (12)

1П1-Са 1П1-Со0 Са0(1-Са) Св0(1-Св) Со0С4

Попутно получаем соотношение, полезное для дальнейшего анализа" закономерностей моделируемого технологического процесса:

£и.=£е±е0. (13)

Сь Сьо

Учитывая, что на старте процесса фракционирования концентрация непроходных частиц в надрешётном продукте равна Са0, получим выражение для определения концентрации непроходных частиц в надрешётном продукте в зависимости от безразмерного параметра времени в=Ит:

С с°«е° • (14)

" \+Са0(ев -1)

Уравнение (8) является частным случаем логистического уравнения, полученного и названного так в 1838 г. бельгийским математиком Фер-хюльстом (Р. Б. УегЬиЫ) в связи с исследованием модели роста численности населения. Это уравнение и его модификации часто используются в моделях динамики популяций, в исследованиях экологических, экономических и других проблем. С течением времени область применений этого уравнения расширяется. Однако применений логистического подхода к моделированию фракционирования сыпучих материалов в публикациях, в том числе представленных в виде Интернет-ресурсов, найти не удалось.

Для практического применения предлагаемой модели необходимо определить Т. Учитывая, что из (13) найдем

^аО^Ь

Для определения т достаточно по результатам пробного рассева щепы найти концентрацию непроходных частиц в надрешетном продукте са0 на старте рассева и концентрацию Са при некотором фиксированном /.

Степень извлечения проходных частиц из надрешётного продукта в подрешётный продукт определяется отношением:

бм бы)

(16)

В рассматриваемом случае общее количество непроходных частиц в надрешётном продукте постоянно. Поэтому Са0£?0 =Са(2 • Отсюда

Тогда

2=Са0б0/Са-

0,0

СьоЯо во^ЬО^а Здесь сь =1-Са или, с учетом (14): £ _

1+Св0(е'-1)

Подставив (19) в (18), получим: £=1

СдрС-ЬО с~в

СъоСаОев

(17)

(18)

(19)

(20)

Характеристика (20) не зависит явно от са0 и сАП' чт0 может Рас~

'60'

сматриваться как недостаток. В качестве характеристики эффективности извлечения, явно учитывающей начальные концентрации частиц, может быть использован модуль относительной концентрации проходных частиц в надрешётном продукте:

С,-С

ьо

-ъо

—1

'60

(21)

В процессе рассева величина Сь уменьшается, оставаясь неотрицательной. о<,СЬ^СЬ0- Поэтому формула (21) может быть переписана в виде

е2=(Сьо-СьУСЬо=\~Сь/Сьо. (22)

Принимая во внимание (19), получим:

*2=1-1/(1+Св0(е*-1)).

Если концентрация непроходных частиц в слое надрешётного продукта достаточно большая (приближается к единице), то извлечение проходных частиц не повлияет существенно на толщину слоя, которую в этом случае можно приближённо считать постоянной. В данном случае постоянны толщина слоя, площадь сита, а значит и количество надрешётного продукта Тогда формула (16) может быть трансформирована:

вь Сьд0 =1 СЬ=СЬ0-СЬ, (24)

Оьо смд0 сьо сьо

что совпадает с (22). Формула (24) допускает две интерпретации. С одной стороны, это оценка степени извлечения проходных частиц из надрешётного продукта в предположении, что толщина слоя надрешётного продукта постоянна. С другой стороны, принимая во внимание (22) находим, что формула (24) определяет также относительное изменение концентрации проходных частиц в надрешётном продукте с учётом изменения толщины слоя надрешётного продукта. В этом случае е2 ■

Чтобы оценить влияние длины сита на процесс фракционирования, выполним преобразование указанного выше безразмерного параметра времени в=Иг учитывая, что частицы щепы в слое надрешетного продукта перемещаются по наклонному ситу по направлению от верхней к нижней кромке сита и что среднюю скорость перемещения частиц в данном направлении можно считать постоянной (например, 0,06 ... 0,20 м/с для угла наклона сит 2° ... 11°). Обозначим л" - путь, пройденный частицей надрешетного продукта по направлению к нижней кромке сита; Ь - длина сита; х*-х!Ь - параметр пути; V - скорость указанного движения. Тогда

в-—- ^ — х - -х

г IV гу п>Ь ту . (25)

Переменной величиной является х*, 0<х*<1. Вычисления выполняются по приведенным выше формулам с заменой параметра в выражением (25).

Обозначим ()* - относительное количество частиц в надре-

шётном слое. Тогда из полученных соотношений найдем:

е*=Сие-'+Са0.

(26)

При этом количество проходных частиц в слое надрешётного продукта

Яъ^ьое-8- (27)

В процессе рассева толщина слоя надрешётного продукта изменяется от н0 до некоторого значения Н в зависимости от в . Так как ширина и длина сита постоянны, то количество частиц в слое надрешётного продукта Q прямо пропорционально Н. Тогда с учетом (26) получим:

Н=Н 0 (Сьое~в +Са0 ) ■ (28)

Результаты расчетов приведены в графической форме на рис. 1. С,£ГСЬ

в

Рис. 1. Изменение характеристик эффективности Е, с2 и концентрации проходных частиц Сь в зависимости от параметров в и Сьо =1—Со0

Представленные на рис. 1 данные наглядно демонстрируют, что с увеличением начальной концентрации непроходных частиц в слое надрешётного продукта значения е и сближаются, при этом <£.

Значения £ (20) не зависят от начальной концентрации частиц в слое надрешётного продукта. Поэтому в случае применения только характеристики £ могут остаться вне поля зрения инженера некоторые детали технологического процесса. В современных же условиях учёт всё более тонких деталей технологии переработки щепы является одним из необходимых условий выпуска конкурентоспособной продукции.

Рассмотрено применение представленной выше методики к решению задачи о рассеве на системе сит. Принято, что в стационарном ре-

жиме технологического процесса скорость движения частиц щепы по наклонному ситу постоянна. Тогда, разбив массив частиц надрешётного продукта на блоки (рис. 2), зная длину сита и скорость движения, можно найти продолжительность нахождения каждого блока на сите. Затем по указанной выше методике определим концентрацию непроходных частиц в каждом из блоков. Дальнейшие вычисления сводятся к решению задачи определения концентрации частиц при смешивании материалов с различной концентрацией проходных и непроходных частиц. Результаты вычислений приведены в графической форме на рис. 3 и 4.

Блок массива сыпучего материала.

частицы корого движутся с постоянной скоростью

по направлению к выходу с сита_

Надрешетный продукт

на выходе с сита

Рис. 2. Разбиение надрешётного продукта на блоки (вид сверху)

(А)

Сито

Щепа от рубительной машины

г—л Крупная

....... . , некондиционная

Сито 2 щепа

........" -пная

' технологическая щеп;

Щепа от рубительной машины

О--«

;*. • * * * щсис.

' ' * « « » > I ; 1 ! техш * * щеп;

(Б)

Сктго 1 Сито 2

щепа

? } 1 V*'*?''."/•^КРУ™

ТеХН«

Крупная

некондиционная щепа 1ная

технологическая щепа

С,=0,993 (99,3%) С6=0,007 (0.7 %)

Рис. 3. Влияние рабочей длины сита 1 на изменение концентрации непроходных частиц £ (14)

(на графике по оси слева) и концентрации проходных частиц сь (19)

(по оси справа) по длине сита 2

о,о --)-—I-

0,0 0.5 1,0 1.5 2,0

Длина сита (м)

Рис. 4. Изменение характеристик е и е1 по длине сита 2

в зависимости от изменения конструкции верхнего сита. Характеристика £ индифферентна к изменениям конструкции по рис. 3(Б)

Величина степени извлечения £-\-е~в (20), изменяясь по длине сита, зависит только от параметра в (25). Более содержательной является представленная обоснованными выше формулами характеристика ¿-2 (22), (23).

Показанное на рисунках 3 и 4 изменение характеристик, соответственно, £2 и С , Сь на финишном участке длиной 0,5 м объясняется

тем, что на верхнем сите на данном участке взамен секции сита установлен неперфорированный стальной лист (экран). Такое изменение конструкции верхнего сита приводит к тому, что финишный участок нижеследующего сита функционирует как отдельно взятое сито длиной 0,5 м, последовательно соединённое с другим участком длиной 1,5 м того же сита. В данном случае изменение конструкции приводит к тому, что на финишном участке увеличивается скорость фракционирования. Характеристика £г возрастает с 0,735 до 0,873 (на 18 %); концентрация

непроходных частиц са. т. е. частиц кондиционной технологической

щепы возрастает с 0,985 до 0,993 (на 0,8 %); концентрация проходных частиц Сь> т. е. мелких некондиционных частиц уменьшается с 0,015 до

0,007 (с 1,5 % до 0,7%). Кроме того, устраняется возможность заклинивания крупных отщепов, которые в массиве крупной некондиционной щепы поступают на доизмельчение. Без предлагаемого изменения заклинивание крупных отщепов в отверстиях верхнего сита на финишном участке замедляет процесс фракционирования, по этой причине необходимы периодические остановки процесса для очистки сита.

Выбор длины финишного участка (0,5 м) обусловлен тем, что на этом участке приращение указанных выше характеристик на единицу длины

существенно меньше, чем на стартовом участке. Увеличение длины финишного участка может уменьшить производительности оборудования.

Аналогично выполняется расчет для сита третьего сверху уровня.

Применительно к фракционированию (сортировке) щепы на ЦБК достигаемый эффект особенно важен по той причине, что уменьшение доли мелких некондиционных фракций в технологической щепе приводит к снижению расхода технологических растворов при варке целлюлозы и к повышению качества целлюлозы. Фракции щепы показаны далее на рис. 5.

В третьей главе приведены методика и результаты экспериментов по обоснованию рекомендаций, направленных на уточнение технологических параметров в целях обеспечения требуемой производительности оборудования и повышения качества технологической щепы.

Рис. 5. Результаты лабораторного рассева:

1-крупная некондиционная щепа;

2-крупная кондиционная щепа;

3-мелкая кондиционная щепа (с примесями некондиционных частиц);

4-некондиционная фракция («иголки»);

5-мелкая некондиционная фракция(опилки

и пыль).

Данная часть работы выполнена при методологической помощи профессора С. Б. Васильева на примере установки для сортировки щепы СЩ-120, характеристики аналогов которой приведены на сайте завода-изготовителя [www.pbm.onego.ru]. По результатам экспериментов сформулированы предложения (приведены далее, в разделе Основные выводы и рекомендации), обеспечивающие получение технико-экономического эффекта за счет повышения эффективности фракционирования и уменьшения содержания некондиционных по крупности (прежде всего мелких) частиц в технологической щепе.

Адекватность результатов расчета по предлагаемой методике подтверждена также сравнением с известными по литературе экспериментальными данными о рассеве двухкомпонентной смеси при началь-

ной концентрации непроходных частиц Со0 =0,25- Результаты расчета и эксперимента представлены в нижеследующей таблице (т=16,14 с)-

Зависимость Са от времени по результатам расчета и эксперимента

м 0 15 30 45 60 75 90

Са, предлагаемая методика 0,25 0,46 0,68 0,84 0,93 0,97 0,99

Са, эксперимент [*] 0,25 0,43 0,72 0,88 0,92 нет данных нет данных

Расхождение, % 0,0 7,0 -5,6 -4,5 1,1 - -

* Огурцов В.А. Процессы грохочения сыпучих строительных материалов: моделирование, расчет и оптимизация // Автореф. дисс. ... д.т.н. / Иваново: Ивановский государственный архитектурно-строительный университет. 2010. 34 с. http://vak.ed.gov.ru/ (размещено на сайте 30.11.2009).

Основные выводы и рекомендации

1. Предложена физическая модель фракционирования древесной щепы по крупности частиц как сыпучего материала с изменяющейся в процессе рассева концентрацией проходных и непроходных частиц. Составлено математическое описание данной модели, получены расчетные формулы, решены модельные технологические задачи. Показано, что обычно используемая оценка эффективности рассева не учитывает в явном виде начальную концентрацию кондиционных (и некондиционных) частиц щепы.

2. Разработана методика расчета изменений концентрации частиц щепы в процессе рассева и эффективности фракционирования, отличающаяся тем, что, с целью упрощения расчета и расширения возможностей моделирования фракционирования на оборудовании с поэтажной компоновкой сит неодинаковой рабочей длины, вычисления указанных изменений концентрации сведены к решению логистического уравнения, а для оценки эффективности рассева предложено использовать относительную концентрацию проходных частиц в надрешётном продукте, в явном виде учитывающую указанную выше начальную концентрацию.

3. С применением разработанной методики расчета исследованы закономерности рассева щепы на установках с поэтажной компоновкой сит неодинаковой рабочей длины. Установлено, что с уменьшением на 25 %

рабочей длины сита верхнего уровня по отношению к рабочей длине нижеследующего сита уменьшается содержание мелких некондиционных частиц в технологической щепе с 1,5 % до 0,7%.

4. Обосновано техническое решение по модернизации оборудования для фракционирования щепы с поэтажной компоновкой прямоугольных сит, отличающееся тем, что, с целью повышения эффективности рассева и качества технологической щепы без уменьшения производительности оборудования, рабочая длина сит неодинакова, причем соотношение рабочих длин сит верхнего и нижеследующего уровней рекомендуется в пределах от 0,8:1,0 до 0,7:1,0. При соотношении 0,75:1,0 в установках типа СЩ-120 относительное изменение концентрации проходных частиц в надрешётном продукте возрастает на 18 %. Кроме того, устраняется возможность заклинивания крупных отщепов в отверстиях верхнего сита, которые в массиве крупной некондиционной щепы поступают на доизмельчение. Изменение рабочей длины сита технически рекомендовано осуществлять заменой финишного участка сита (например, длиной 0,4...0,5 м) стальным листом без отверстий, что не требует переделки ситового короба.

5. По результатам испытаний рекомендованы следующие значения механических параметров режима фракционирования щепы: амплитуда колебаний ситового короба 40...60лш при частоте 180...260 мин'1', угол наклона сит 4°...7° (исследован интервал 3°... 11

6. Экспериментально установлено, что толщина слоя щепы на верхнем сите должна составлять от 80 до 100 мм в зависимости от требуемой производительности и от фракционного состава щепы, подаваемой от рубительной машины.

7. Рекомендовано дооснастить установки, аналогичные СЩ-120, дозирующими устройствами для обеспечения равномерной подачи щепы и полной загрузки сита по его рабочей ширине.

Рекомендации по пунктам 5, 6, 7 направлены на совершенствование технологии фракционирования щепы и модернизацию соответствующего оборудования, обеспечивая достижение указанных в пунктах 3 и 4 показателей качества технологической щепы при указанной заводом-изготовителем производительности.

Публикации по теме диссертации

1. Кульбицкий, А. В. Влияние параметров колебаний плоских гирацион-ных сортировок на процесс фракционирования щепы [Текст] / А. В. Кульбицкий // Известия Санкт-Петербургской лесотехнической академии. Вып. 178 (12) / Под общ. ред. А. С. Алексеева, Э. М. Лаутнера. СПб.: СПбГЛТА, 2007. С. 99-105.

2. Васильев, С. Б. Исследование работы плоских гирационных сортировок щепы [Текст] / С. Б. Васильев, А. В. Кульбицкий // Известия Санкт-Петербургской лесотехнической академии. Вып. 189. СПб.: СПбГЛТА, 2009. С. 132-140. fitacademy.ru/UserFiles/izvl89.pdf. (Вклад соискателя 50 %).

3. Васильев, С. Б. Влияние на стратификацию щепы толщины сортируемого слоя и угла наклона сит рассева [Текст] / С. Б. Васильев, А. В. Кульбицкий // Ученые записки Петрозаводского государственного университета. Серия «Естественные и технические науки». 2009. №7 (101). С. 98 -100. (Вклад соискателя 50 %).

4. Васильев, С. Б. Логистическое уравнение как модель фракционирования древесной щепы методом рассева [Текст] / С. Б. Васильев, Г. Н. Колесников, А. В. Кульбицкий // Материалы третьей международной научно-практ. Интернет-конф. «Леса России в XXI веке», СПбГЛТА, 2010. С. 236 - 239. http://www.flacademy.ru (Вклад соискателя 30 %).

5. Васильев, С. Б. Разработка и применение логистической модели рассева сыпучих материалов [Текст] / С. Б. Васильев, М. И. Зайцева, Г. Н. Колесников, А. В. Кульбицкий // Труды седьмой Всероссийской научной конф. с международным участием «Математическое моделирование и краевые задачи». Самара, 3-6 июня 2010 г. Часть 2: «Моделирование и оптимизация динамических систем и систем с распределёнными параметрами». Самара: СамГТУ. 2010. С. 41-45. http://matmod.ucoz.ru/ /load/0-0-0-764-20 (Вклад соискателя 25 %).

6. Кульбицкий, А. В. Логистический подход к построению модели фракционирования древесной щепы [Электронный ресурс] / А. В. Кульбицкий, С.Б.Васильев, Г.Н.Колесников // «Наука и образование -2010»: материалы международной научно-техн. конф. Мурманск, МГТУ, 5-9 апреля 2010 г. / Мурманск: МГТУ, 2010. 1 оптический диск (CD-ROM). Гос. per. НТЦ «Информрегистр», №0321000362. С. 190-193. (Вклад соискателя 30 %).

Отзывы на автореферат в двух экземплярах с заверенными подписями просим высылать по адресу:

185910, г. Петрозаводск, пр. Ленина, 33.

Ученому секретарю диссертационного совета Д212.190.03 Воронову Р. В.

Подписано в печать 12.11.2010. Формат 60x84 '/16. Бумага офсетная. Уч.-изд. л. 1. Тираж 100 экз. Изд.№ 223.

Государственное образовательное учреждение Высшего профессионального образования ПЕТРОЗАВОДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

Типография Издательства ПетрГУ 185910, г. Петрозаводск, пр. Ленина, 33

ВВЕДЕНИЕ.

1. Обзор работ по совершенствованию технологии и модернизации оборудования для фракционирования древесной щепы методом рассева.

1.1. Щепа как предмет труда.

1.2. Технология переработки древесины на щепу.

1.3. Технология фракционирования щепы.

1.4. Технологические параметры фракционирования щепы.

1.4.1. Производительность оборудования.

1.4.2. Точность отсева.

1.4.3. Эффективность фракционирования.

1.5. Конструктивные параметры оборудования для рассева.

1.6. Технологические факторы и их влияние на качество фракционирования щепы.

1.7. Опыты и модели движения частиц щепы по наклонной плоскости с отверстиями.

1.8. Вводы по первой главе.

2. Моделирование технологического процесса фракционирования щепы методом рассева.

2.1. Характеристика проблемы.

2.2. Физическая модель фракционирования сыпучего материала

2.3. Математическое описание процесса фракционирования.

2.4. Влияние длины сита на процесс фракционирования

2.5. Характеристики эффективности технологии рассева.

2.5.1. Степень извлечения проходных частиц.

2.5.2. Относительное изменение концентрации проходных частиц.

2.5.3. Изменение количества частиц в надрешётном продукте

2.5.4. Изменение толщины слоя частиц надрешётного продукта

2.5.5. Характеристики скорости технологического процесса

2.5.6. Сравнение с экспериментальными данными.

2.6. Некоторые закономерности процесса рассева.

2.7. Модель фракционирования щепы на системе сит.

2.8. Анализ результатов моделирования рассева на примере модельной технологической задачи.

2.9. Выводы по второй главе.

3. Экспериментальное исследование взаимосвязи между конструктивными и технологическими параметрами оборудования для фракционирования щепы.

3.1. Испытание сортировок СЩ-120.

3.1.1. Методика определения производительности.

3.1.2. Методика испытаний.

3.3.3. Условия проведения испытаний.

3.3.4. Результаты испытаний.

3.4. Качество фракционирования щепы.

3.4.1. Методика оценки качества технологической щепы.

3.4.2. Условия проведения испытаний.

3.4.3. Соответствие параметров оборудования паспортным данным.

3.4.4. Результаты анализов фракционного состава щепы.

3.4.5. Расчет объемов продуктов фракционирования.

3.4.6. Расчет точности отсева.

3.4.7. Расчет количества отходов.

3.5. Выводы по результатам испытаний.

Данная работа: посвящена, обоснованию рекомендаций по совершенствованию технологии и модернизации, оборудования« для фракционирования древесной щепы методом рассева. В качестве:оборудования рассмотрены наиболее распространенные в иасюящес время установки, на которых для рассева? используются? плоские; наклонные: сита при поэтажной их: компоновке: Для5обоснования предлагаемых, расчётных соотношений1 и методик расчета используются результаты экспериментальных исследований; и методы математического моделирования; направленные на уточнение конструктивных и технологических параметров; обеспечивающих более высокую производительность оборудования и требуемое качество фракционирования: (сортировки) древесной; щепы по крупности/частиц. Результаты работы после их адаптации; могут быть использованы в исследованиях по.< совершенствованию технологии фракционирования не только древесной щепы, но и других сыпучих и гранулированных материалов, частицы которых различаются крупностью.

Характеристика проблемы, цель и методы?исследования. Актуальность работы: Древесная щепа как результат переработки: круглых лесоматериалов производится в больших количествах и потребляется на целлюлозно-бумажных комбинатах (ЦБК). Так, только три.ЦБК в республике Карелия в городах Кондопога, Питкяранта и Сегсжа рассчитаны на ежегодную переработку примерно трёх миллионов куб. м круглых лесоматериалов, после очистки: от коры поступающих в виде балансов, на рубительные машины для, получения щепы, определенная фракция которой после сортировки по крупности частиц используется для варки целлюлозы. Щепа используется также в качестве биотоплива и в-других целях. Имеет место тенденция к росту объемов производства и потребления; щепы в России и в других странах [http://timber.unece.org].

Необходимым? звеном в технологии, подготовки щепы; к - дальней-; шему использованию является фракционирование (сортировка; сортирование) по крупности» частиц, что осуществляется1' на ЦБК методом рассева? на оборудовании« поэтажной комiюiювкой сит и производительностью, например, от 150 до 950 насыпных куб. м в час при извлечении до 90 % некондиционных фракций [www.pbm.onego.ru]. Технико-экономические характеристики данного оборудования? зависят от свойств щепы, как сыпучего материала, от характеристик движения ситового короба и других параметров. Большие объемы производства щепы, новые требования; к качеству продукции, энергосбережению и рациональному природопользованию предопределяют актуальность исследований многоплановой; проблемы; совершенствования указанной технологии;и модернизации оборудования;

Данная проблема, включает в себя ряд задачу предполагающих для своего решениягприменение экспериментальных методов и:методов« математического моделирования1 изменений характеристик,щепы: в: процессе рассева. Однако- основное внимание в публикациях- включая представленные в Интернет-ресурсах, фокусируется на исследовании; фракционирования (сепарирования, сортировки) других сыпучих материалов (зерно ш продукты его переработки, рудные и: нерудные материалы, семена). В значительно меньшей степени изучены закономерности фракционирования древесной щепы. Существенные различия; технологий" переработки; и свойств сыпучих материалов неизбежно отражаются в особенностях методик, расчета. Применительно к проблеме фракционирования щепы актуальны задачи обоснования расчетных формул, которые обеспечили бы достаточную адекватность результатов расчетов при совершенствования технологии сортировки щепы и модернизации оборудования с поэтажной компоновкой сит.

Цель работы: повышение эффективности фракционирования древесной щепы на оборудовании с поэтажной компоновкой сит путём экспериментального исследования и математического моделирования при решении задач по обоснованию конструктивных и технологических параметров.

Задачи, решение которых необходимо для достижения данной цели:

Выполнить анализ литературы по развитию технологии и методов расчета, известных в данной области прикладных исследований.

2. Разработать методику расчета изменений концентрации частиц кондиционной (некондиционной) фракции и эффективности фракционирования.

3. С применением разработанной методики исследовать закономерности фракционирования щепы на системе сит. Оценить влияние соотношения длины сит верхнего и нижеследующего ярусов на эффективность фракционирования проходных частиц в надрешётном продукте.

4. Экспериментально исследовать влияние конструктивных и технологических параметров на производительность оборудования и качество технологической щепы (на примере установки СЩ-120).

5. На основе полученных результатов обосновать выводы и рекомендации по изменению рабочей длины сит верхнего и нижнего ярусов с целью повышения качества технологической щепы и по определению толщины слоя щепы на верхнем сите для обеспечения заданной производительности.

Объект исследования: технологический процесс и модель фракционирования щепы методом рассева на системе сит.

Предмет исследования: закономерности влияния технологических и конструктивных параметров на изменение фракционного состава щепы в процессе рассева и возможности повышения эффективности фракционирования с обеспечением заданной производительности оборудования.

Теоретической и методологической работы» являются) труды отечественных и,зарубежных авторов, в которых обосновываются методы расчета, методики экспериментальных исследований и направления совершенствования технологии* фракционирования (сортировки) щепы и других близких по свойствам сыпучих материалов.

Методы исследования. При решении комплекса поставленных задач использовались: экспериментальные испытанияv установок для фракционирования щепы, лабораторные методы определения гранулометрического состава древесной'щепы, методы математического-моделирования процесса рассева сыпучих материалов. Численные результаты моделирования, решения модельных технологических задач и обработка экспериментальных данных получены с применением Microsoft Excel.

Научная новизна в данной прикладной области характеризуется тем, что:

1. По итогам изучения современных технологий фракционирования щепы предложен вариант физической модели рассева щепы как сыпучего материала, частицы которого различаются крупностью.

2. С использованием предложенной физической модели разработана новая^ методика расчета изменений концентрации частиц кондиционной фракции и эффективности фракционирования, отличающаяся тем, что, с целью уменьшения объема исходных данных и упрощения расчета конструктивных и технологических параметров, вычисления сведены к решению логистического уравнения, а для оценки эффективности рассева использована относительная концентрации проходных частиц в надрешётном продукте.

3. С применением разработанной методики расчета обосновано техническое решение по модернизации оборудования с поэтажной компоновкой сит, в котором путем изменения соотношения рабочей длины сит верхнего и нижеследующего ярусов достигается повышение эффективности-рассева и качества технологической щепы без уменьшения производительности оборудования.

4. Экспериментально исследовано влияние толщины слоя фракционируемой щепы и угла наклона прямоугольных сит на производительность оборудования, что позволяет прогнозировать продолжительность и качество технологической щепы на ЦБК.

5. Полученные результаты могут быть адаптированы к дальнейшим исследованиям по модернизации оборудования для рассева достаточно широкого класса сыпучих материалов, частицы которых имеют одинаковую плотность, но различаются крупностью (песок, щебень и т.д.).

Достоверность полученных результатов обеспечивается корректностью постановки задачи с использованием для решения закона сохранения массы и других общепринятых положений. Достоверность результатов работы подтверждена известными по литературе данными расчетов и испытаний, в том числе выполненными в реальных условиях на ЦБК.

Практическая значимость работы определяется созданием методики решения достаточно широкого класса технологических задач о фракционировании сыпучих материалов по крупности частиц, которая может быть использована в организациях, занимающихся модернизацией существующего и проектированием нового оборудования.

Результаты, выносимые на защиту:

1. Обоснование физической модели рассева древесной щепы как сыпучего материала, частицы которого различаются только крупностью.

2. Методика расчета изменений концентрации частиц кондиционной (некондиционной) фракции и эффективности рассева.

3. Обоснование технического решения по модернизации оборудования с поэтажной компоновкой сит, в котором путем изменения соотношения рабочей длины сит верхнего и нижеследующего ярусов обеспечивается повышение эффективности рассева и качества технологической щепы без уменьшения производительности оборудования.

4. Результаты экспериментов по исследованию влияния толщины слоя фракционируемой щепы и угла наклона сит на производительность оборудования.

5. Рекомендации, обеспечивающие повышение эффективности рассева и улучшение качества технологической щепы на ЦБК.

Апробация работы осуществлена на следующих конференциях:

Ежегодная научная конференции Санкт-Петербургской лесотехнической академии (2007 г.);

Третья международная научно-практическая Интернет-конференция «Леса России в XXI веке», (http://ftacademy.ru, СПбГЛТА, 2010 г.);

VII Всероссийская научная конференция "Математическое моделирование и краевые задачи", (Самарский гос. техн. университет, 2010);

Международная научно-техническая конференция «Наука и обра-зование-2010». (Мурманск, МГТУ, 5-9 апреля 2010 г.).

62-я научная конференция студентов, аспирантов и молодых учёных ПетрГУ (2010 г.);

Семинары кафедры целлюлозно-бумажных и деревообрабатывающих производств ПетрГУ (2009-2010 г.).

Публикации. Основное содержание диссертации изложено в шести работах, их них две статьи в издании, указанном в перечне ВАК РФ.

Часть работы, связанная с обоснованием расчетных соотношений, выполнена при поддержке РФФИ (проект 08-08-00979, руководители В.Н. Бакулин, Г.Н. Колесников).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

1. Анализ публикаций и Интернет-ресурсов по теме выполненного исследования показал, что объемы выпуска и потребления древесной щепы в России и в других промышленно развитых странах имеют тенденцию к росту [http://timber.unece.org]. В'этой связи актуальной является проблема совершенствования технологии и модернизации оборудования для переработки щепы с учетом современных требований к рациональному природопользованию, экономии энергии, других материальных ресурсов и затрат труда. Данная проблема включает в себя ряд задач, предполагающих для своего решения применение экспериментальных методов и методов математического моделирования. Анализ литературы показал, что основное внимание авторов фокусируется на исследовании фракционирования (сепарирования, сортировки) таких сыпучих материалов, как зерно и продукты его переработки, рудные и нерудные (строительные) материалы. В существенно меньшей степени исследованы закономерности фракционирования1 древесной щепы. Таким образом, устойчивая тенденция увеличения производства и потребления древесной щепы, новые требования к экономии ресурсов и» к качеству продукции, а также недостаточная изученность закономерностей фракционирования данного материала предопределяют актуальность темы выполненного исследования.

2. Цель работы определена с учетом достигнутого к настоящему времени уровня в данной области прикладных исследований, отраженных в работах отечественных и зарубежных авторов. Целью является повышение технико-экономической эффективности оборудования- с плоскими решетами для фракционирования древесной щепы методом рассева путём экспериментальных исследований и применения методов математического моделирования, направленных на уточнение конструктивных и технологических: параметров, обеспечивающих повышение производительности оборудования: и качества фракционирования^ щепы по крупности частиц. Обзор работ по совершенствованию технологии и модернизации оборудования* для* фракционирования древесной- щепы методом рассева; приведен в первой главе диссертации; Принятые во внимание, публикацию приведены в списке литературы, который включает в себя; в общей' сложности 107 наименований статей, книг и Интернет-ресурсов.

3. Во введении и в первой главе диссертации выполнен; анализ тенденций совершенствования технологии и модернизации оборудования для получения и фракционирования древесной щепы, определены проблема и цель исследования. Сформулированы, задачи, решение которых необходимо- для; достижения; цели работы. Необходимость решения данных задач вызвана, наряду с указанными выше причинами, громоздкостью формул и, как, следствие, сложностью известных методик* расчета технологических параметров! рассева, ориентированных- на применение; достаточно узкого класса задач: При этом задачи ' фракционирования древесной - щепы > исследованы в существенно меньшей степени; по сравнению с задачами, фракционирования (сепарирования, сортировки, классификации) зерна, и продуктов его переработки, рудных и нерудных;материалов, угля- и других сыпучих материалов. По этой причине становится невозможным; применение для анализа технологии! рассева древесной; щепы методик, разработанных для других сыпучих материалов.

4. В целях преодоления появляющихся в этой связи затруднений во второй главе диссертации предложен и обоснован новый в данной области прикладных исследований подход к построению расчетных формул, отличающийся тем, что, с целью уменьшения объема исходных данных,, обеспечения достаточной точности и упрощения расчета при прогнозировании изменений гранулометрического состава фракционируемой щепы, вычисления сведены к решению уравнения Ферхюльста. С использованием разработанной методики уточнены данные о закономерностях технологического процесса фракционирования щепы методом рассева. Получены соотношения для-оценки влияние длины сита на процесс фракционирования, предложены характеристики эффективности'технологии и качества рассева, рассмотрен вопрос об изменении толщины» слоя частиц надрешётного продукта в процессе фракционирования, приведены характеристики скорости технологического процесса. Адекватность результатов вычислений по предлагаемой* методике подтверждена их согласованностью с известными по литературе данными, полученными другими авторами в данной области прикладных исследований.

5. К наиболее важным результатам второй главы следует, как показала апробация и консультации со специалистами, отнести результаты моделирования рассева древесной щепы на системе двух сит и вывод о возможности» повышения качества рассева путём изменения соотношения'длины сит (отношение длины верхнего сита к длине нижеследующего сита предлагается установить в пределах от 0,8:1,0 до 0,7:1,0). Например, при длине ситового короба, равной 2 м, наиболее простой путь решения'данной задачи заключается-в изменении конструкции верхнего сита путем' замены его финишного участка длиной 0,5 м стальным листом такой же толщины, но без отверстий. В этом случае, как показывает решение модельных технологических задач и анализ производственного опыта, удается по сравнению с существующей технологией, уменьшить,содержание мелких некондиционных частиц в технологической щепе, что имеет существенное значение для повышения уменьшения затрат ресурсов при варке целлюлозы и для повышения её качества.

6. Принимая во внимание сложность объекта исследования и приближенный характер известных и предлагаемых методик расчета, были выполнены эксперименты с целью уточнения взаимосвязи между конструктивными и технологическими параметрами оборудования для фракционирования щепы на примере установки СЩ-120. Характеристика оборудования, использованного при испытаниях в условиях реального производства на целлюлозно-бумажном комбинате; методика испытаний, условия проведениям испытаний, полученные результаты, выводы, и рекомендации'по результатам^ данной1 части диссертации представлены в третьей главе диссертации. При« этом к числу наиболее важных для практического применения-в» соответствии с целью диссертационного исследования следует отнести рекомендации по ограничению амплитуды колебаний ситового короба в пределах от 40 до 60 мм, по частоте колебаний в пределах от 120 до 260' 1/мин, по углу наклона сит в пределах от 5 до 11 градусов, по минимальной толщине слоя« щепы на верхнем сите (80 мм). Модернизация исследованного оборудования в соответствии с этими рекомендациями позволит получить эффект за счет улучшения качества продукта и уменьшения' отходов.

7'. Достоверность результатов, полученных с использованием, предложенных методик, проверена путем решения модельных технологических задач и сравнением с экспериментальными и расчетными данными, полученными как диссертантом (при методологической поддержке-профессора, д.т.н. С.Б. Васильева), так и другими авторами, публикации4 которых известны по литературе.

8. Практическая значимость работы определяется созданием достаточно эффективной методики решения задачи о фракционировании сыпучих материалов по крупности частиц, которая может быть использована в организациях, занимающихся модернизацией существующего и проектированием нового оборудования для фракционирования щепы и (после адаптации методики) других сыпучих материалов (песок, щебень, руда, уголь и т.д.). Применение результатов работы позволяет обосновать рекомендации по улучшению качества фракционирования сыпучих материалов и повышению производительности оборудования.

9. Основное содержание диссертационной работы представлено в пяти публикациях [18], [20], [21], [47], [48], в том числе в двух статьях в журнале, указанном в перечне ВАК РФ [21], [47]. Публикации [18], [20], [21] представлены также в виде Интернет-ресуросов по адресам: www.ftacademy.ru/UserFiles/izvl 89.pdf; http://www.ftacademy.ru/; http://matmod.ucoz.ru/load/0-0-0-764-20.

10. Анализ и обсуждения результатов работы показали, что целесообразно их использование в учебном процессе на лесоинженерном факультете Петрозаводского государственного университета при подготовке специалистов с высшим техническим образованием, аспирантов, а также при переподготовке и повышении квалификации специалистов проектных организаций и производственных предприятий, область деятельности которых связана с совершенствованием технологии фракционирования древесной щепы и модернизацией соответствующего оборудования с учетом современных требований рационального природопользования.

1. Азбель Г.Г. Вибрации в технике. Справочник в 6 томах. Том 4. Вибрационные процессы и машины. Под ред. Э. Э. Лавендала // М. Машиностроение 1981. 509 с.

2. Андреев С. Е., Петров В. А., Зверевич В. В. Дробление, измельчение и грохочение полезных ископаемых. М.: Недра. 1980. 415 с.

3. Баранцева Е.А., Мизонов В.Е., Хохлова Ю.В. Процессы смешивания сыпучих материалов: моделирование, оптимизация, расчет / Иваново: Ивановский государственный энергетический университет. 2008.- 116 с.

4. Безухов Н.И. Теория сыпучих тел // Л.: ГОССТРОЙИЗДАТ. 1934. 107 с.

5. Бессараб Н. Г. Методика определения коэффициента перевода насыпного объема технологической щепы в плотный объем // Известия Санкт-Петербургской лесотехнической академии. 2007. № 181. С. 120-126.

6. Блехман И.И., Вайсберг Л.А., Блехман Л.И., Васильков В.Б., Якимова К.С. О разделении твердых частиц по форме на вибрирующих поверхностях // Обогащение руд. 2007. № 2 (март). С. 23-25.

7. Блехман И. И., Джанелидзе Г. Ю. Вибрационное перемещение. М.; Наука, 1964. 410 с.

8. Бойков С. П. Теория процессов очистки древесины от коры. -Л.: ЛГУ, 1980. 152 с.

9. Вавилов А. В., Соколовский Ю. В., Пашковский М. Н., Синяк С. М. Технологии производства топливной щепы и системы машин для их реализации // Строительные и дорожные машины. 2008. № 9. С. 2023.

10. Вальщиков Н. М., Лицман Э. П. Рубительные машины: монография // М.: Лесная промышленность, 1980. 96 с.

11. Васильев С. Б. Влияние параметров оборудования на процесс сортирования щепы // Известия высших учебных заведений. Лесной журнал. 2007. № 2. С. 86-89.

12. Васильев С. Б. Изучение возможности сортирования щепы по толщине на плоских гирационных сортировках // Известия Санкт-Петербургской лесотехнической академии. 2005. №«172. С. 105-111.

13. Васильев С. Б., Колесников Г. Н. Логистический подход к моделированию фракционирования сыпучих материалов // Ученые запис-' ки Петрозаводского государственного университета. Серия: Естественные и технические науки. 2010. № 4 (109). С. 61-65.

14. Васильев С. Б., Кульбицкий А. В. Исследование работы плоских гирационных сортировок щепы // Известия Санкт-Петербургской лесотехнической академии. Вып. 189. СПб.: СПбГЛТА, 2009. С. 132140. ww\v.ftacademy.ru/UserFiles/izvl 89.pdf

15. Газизов A. M., Григорьев И. В., Кацадзе В. А., Шапиро В. Я., Мурашкин Н. В. Повышение эффективности механической окорки лесоматериалов. Монография. СПб.: ЛТА, 2009. 240 с.

16. Гольдштик М. А. Процессы переноса в зернистом слое // Новосибирск. 1984. 163 с.

17. ГомонайМ. В. Технология переработки древесины: Учебное пособие // М.: МГУЛ. 2002. 232 с.

18. Гомонай М. В. Ресурсосберегающие технологии измельчения древесины на щепу в рубильных машинах с многорезцовыми и ножевыми рабочими органами : Дис. . д-ра техн. наук : 05.21.01 Воронеж, 2003. 413 с. http://www.dissers.info/disser42594.html

19. Гортинский В. В., Демский А. Б., Борискин М.Д. Процессы сепарирования на зерноперерабатывающих предприятиях. М., Изд-во Колос. 1973.- 176 с.

20. ГОСТ 15815-83*. Щепа технологическая. Технические условия // М.: Госстандарт России.

21. Дорофеенко С. О. Моделирование сыпучих сред методом дискретных элементов // Автореф. дис. . канд. физ.-мат. наук. Черноголовка: Институт проблем химической физики РАН. 2008. 20 с.

22. Евсеев С.Н: Исследование технологической щепы различных источников//Бумажная промышленность. 1991. № 10. С. 16-17.

23. Ефлов В. Б., Гладкий И. Л., Васильев С. Б. Моделирование процесса одномерной сортировки щепы // Труды ПетрГУ. Серия «Прикладная математика и информатика». Вып. 12. / Петрозаводск: ПетрГУ. 2007. С. 93-104.

24. Жуков М. В. Обоснование технологии и режимов переработки вторичных древесных ресурсов с целью повышения качества щепы // Автореферат дис. . канд. техн. наук. СПб., 2002. 19 с.

25. Жуковский H. Е. Заметка о плоском рассеве // Жуковский Н.Е. Собрание сочинений. Т. 3. М.: ГИТТЛ. 1949. С. 515-522.

26. Журавлев А.Н. Теоретические основы послойного движения сыпучего тела по ситам и вибрирующим поверхностям // Всесоюзный научно-исследовательский институт зерна и продуктов его переработка (ВНИИЗ). Труды, выпуск 42. М., 1963. С. 29-46.

27. Захаренко Г. П. Комплексное использование древесины: учебное пособие* // Йошкар-Ола: Марийский государственный технический-университет. 2006. 104 с.

28. Зорин В. Я., Васильев И. А. Критерии и методы оценки качества сортирования щепы // Целлюлоза, бумага, картон. 1976. № 8. С. 10.

29. Иванов К. А. // Влияние качества щепы на величину и вариацию характеристик сульфатной целлюлозы,: автореферат дис. . кандидата технических наук : 05.21.03; Место1 защиты: Архангел, гос. техн. ун-т. Архангельск, 2009. 20 с.

30. Иванов К. А., Севастьянова Ю. В., Миловидова Л. А., Карма-нова Т. Е. Сравнительный анализ качества образцов производственной щепы // Целлюлоза. Бумага. Картон. 2007. № 12. С. 5 -9.

31. Кеппен А.К. Производство химико-механической массы в США//Целлюлоза, бумага, картон. 1995. № 1-2. С. 18-20.

32. Кильпелайнен Р. Качество щепы определяет качество целлюлозы// Целлюлоза, бумага, картон: 2000. № 7-8. С. 28-29.

33. Клейн Г.К. Строительная механика сыпучих тел // М. Строй-издат. 1977. 256 с: •

34. Ковериинский И. Ы. Хранение древесины и ее подготовка для производства'волокнистых полу фабрикатов ,//http://w WW; wood-work.ru/articles/articlesJ2508.html?page==3

35. Комаров, В: И. Деформация и разрушение целлюлозно-бумажных материалов (монография) // Киров: Издательство «Вятка». 2003. 440 с.

36. Коробов В.В., Рушнов Н. П. Переработка низкокачественного древесного сырья:проблемы безотходной технологии 7/ М.: Экология; 1991.288с.

37. Коузов П.А. Основы анализа дисперсного состава промышленных пылей и измельчённых материалов: 3-е изд. перераб. // JI.: Химия, 1987. 264 с.

38. Кульбицкий А. В., Васильев С. Б. Влияние на стратификацию щепы толщины сортируемого слоя и угла наклона сит // Ученые записки Петрозаводского государственного университета. Серия «Естественные и технические науки». 2009: № 7 (101). С. 98 -100.

39. Лаутнер Э. М. Основы теории получения технологической щепы, и разработка нового поколения дисковых рубильных машин // автореферат дис. . д-ра техн. наук: 05.21.03 / СПб, С.-Петерб. гос.технол.ун-т растит.полимеров. 1995. - 52 с.

40. Левенсон Л.Б., Прейгерзон Г.И. Дробление и грохочение полезных ископаемых. Москва Ленинград: Государственное научно-техническое издательство нефтяной и горно-топливной литературы. 1940. 772 с.

41. Линч А. Дж. Циклы дробления и измельчения. Моделирование, оптимизация, проектирование и управление: Пер. с англ. Том 1. // М.: Недра, 1981. 343 с.

42. Лицман Э.П. Сортирование щепы по толщине. "Целлюлоза, бумага и картон". № 5, 1971. С. 24.

43. Локтионова О. Г. Динамика вибрационных технологических процессов и машин для переработки, неоднородных гранулированных сред // Автореферат дис. . доктора технических наук. Курск, 2008. 34 с.

44. Лоскутов А. Б., Репин К. В. Грохоты ОАО «НИИпроектас-бест» для фракционирования сыпучих строительных материалов» // Строительные материалы. 2008, № 9. С. 2—4. http://www.niiasbest.ru/Clauses/roar.pdf

45. Мамошин А. Е. Классификация, псевдоожижение и пневмотранспорт сыпучих материалов // Екатеринбург: АМБ, 2004.124 с.

46. Миронов В. А., Голубев А. И. Классификация и методы проектирования составов сыпучих смесей: монография // Тверь: Изд-во Твер. гос. техн. ун-та, 2004. - 192 с.

47. Надутый-В.П., Лапшин Е.С. Вероятностные процессы вибрационной классификации минерального сырья. К.: Наукова думка, 2005 178 с.

48. Непомнящий Е. А. Применение теории случайных процессов к определению закономерности1 сепарирования сыпучих смесей // Всесоюзный научно-исследовательский институт зерна и продуктов его переработки (ВНИИЗ). Труды, выпуск 42. М., 1963. С. 47 - 56.

49. Никишов В.Д., Гомонай М.В. О качестве технологической щепы // Вестник Московского государственного университета леса Лесной вестник. 2001. № 5. С. 130-133.

50. Огурцов В. А. Процессы грохочения сыпучих строительных материалов: моделирование, расчет и оптимизация / Автореферат дис. . доктора технических наук: Иваново, 2010. 34 с.

51. Огурцов В. А., Федосов С. В., Мизонов В. Е. Оптимизация геометрических характеристик виброгрохота Текст. // Промышленное и гражданское строительство. — 2008. №10. С. 33-34.

52. Огурцов В. А., Федосов С. В., Мизонов В. Е. Моделирование кинетики виброгрохочения на основе теории цепей Маркова // Строительные материалы. 2008. №5 . С. 33-35.

53. Огурцов В. А., Федосов С. В., Мизонов В. Е. Моделирование движения частицы по продольно колеблющейся поверхности грохота Текст. // Промышленное и гражданское строительство. — 2009. №2. -С.23-24.

54. Перов В. А., Андреев Е. Е.,~Биленко Л. Ф. Дробление, измельчение и грохочение полезных ископаемых. М.: Недра, 1990. 300 с.

55. Питухин А. В., Янюк Ю. В., Питухин Е. А. Управление процессом послефлотационной сушки щепы // Известия высших учебных заведений. Лесной журнал. 2007. № 5. С. 66-71.

56. Полежаев К. В. Повышение эффективности производства щепы энергетического назначения мобильными машинами для территориально распределенных потребителей // Автореферат дис. . канд. техн. наук: 05.21.01. Петрозаводск, 2009. - 19 с.

57. Постан М. Я. Обобщенная логистическая кривая: ее свойства и оценка параметров// Экономика и статистические методы. 1993. Т. 29, вып. 2. С. 305-310.

58. Производство технологической щепы в леспромхозах. Под ред. Ф. И. Коперина // М. Лесная промышленность, 1971. 272 с.

59. Прокопенко В.П. Современная техника и технология производства технологической щепы // Целлюлоза, бумага, картон. 1995. № 1-2. С.27 -28.

60. Рушнов Н. П. Исследование влияния основных параметров ру-бительной машины на поврежденность технологической щепы // Переработка и использование низкокачественной древесины: Тр. ЦНИИМЭ, вып. 98. Химки, 1969. С. 86-93.

61. Савостина Т. И. Обоснование технологии и системы машин для выработки щепы на лесосеке: Автореф. дис. . канд. техн. наук. Химки: ЦНИИМЭ, 1993. 22 с.

62. Садовская О. В., Садовский В. М. Математическое моделирование в задачах механики сыпучих сред // М.: Издательство: ФИЗ-МАТЛИТ. 2008 г. 368 с.

63. Садовский В. М. Задачи динамики сыпучих сред // Математическое моделирование. 2001. Том 13. Вып. 5. С. 62-74.

64. Сиваков В. П., Голынский М. Ю. Уплотнение технологической щепы при вибрационной обработке // Вестник Московского государственного университета леса Лесной вестник. 2008. № 3. С. 163-166.

65. Сортировки щепы // http://www.wepi.ru

66. Справочник по обогащению руд / Под ред. О. С. Богданова. Т. 1. Подготовительные процессы. М.: Недра, 1972. 448 с.

67. Суровцева JL С., Иванов Д. В., Царева M. М. Анализ параметров технологической щепы, используемой в целлюлозно-бумажной промышленности // Известия высших учебных заведений. Лесной журнал. 2004. № 6. С. 48-52.

68. Суханов B.C. О повышении эффективности работы1 ЦБК за счет снижения затрат на производство сырья // ЛесПромИнформ . 2005. №3.-С. 62-64.

69. Уголев Б. Н. Испытание древесины и древесных материалов. М.: Лесная промышленность, 1965. 251 с.

70. Цециновский В. М. Техника и технология обработки семян зерновых культур: Учеб. пособие / М., М-во хлебопродуктов РСФСР, Ин-т повышения1 квалификации руководящих работников и специалистов. 1988. 116 с.

71. Цециновский В. М. Элементы теории калибрования семян кукурузы при помощи профилированных сит // Всесоюзный научно-исследовательский институт зерна и продуктов его переработки (ВНИ-ИЗ). Труды, выпуск 42. М., 1963. С. 177-188.

72. Цыпук А. М. Лесохозяйственные машины и их применение : Учеб.пособие / Петрозав.гос.ун-т. Петрозаводск : Издательство Петрозаводского государственного университета, 1999. 35 с.

73. Шварцман М.Е. Метод оценки технологического эффекта сепарирования сыпучих смесей// http://ukragroserv.com.ua/

74. Шегельман И. Р. Технические решения проблемы повышения эффективности процессов подготовки древесного сырья к переработке на щепу. Петрозаводск: КарНИИЛП, 1995. 69 с.

75. Шегельман И. Р. Обоснование технологических и технических решений для перспективных технологических процессов подготовки биомассы дерева к переработке на щепу. Автореф. дисс. . докт. техн. наук, СПб.: СПбЛТА, 1997. 36 с.

76. Шегельман И. Р. Ресурсы биомассы дерева для производства технологической щепы // Повышение эффективности процессов производства технологической щепы: Сб. научных трудов КарНИИЛП. Петрозаводск, 1999. С. 3 -12.

77. Шегельман И. Р., Васильев С. Б. Технологическая щепа: классификация, приемка и испытания. Петрозаводск: Изд-во ПетрГУ, 1999. 32 с.

78. Шубин И. Н., Свиридов М. М., Таров В. П. Технологические машины и оборудование. Сыпучие материалы и их свойства: Учеб. пособие // Тамбов: Изд-во Тамб. гос. техн. ун-та. 2005. 76 с.

79. Ямпилов С. С., Цыбенов Ж. Б. Технологии и технические средства для очистки зерна с использованием сил гравитации // Улан-Удэ: Изд-во ВСГТУ, 2006. 167 с.

80. Яцун С. Ф. Численное моделирование истечения сыпучего материала из бункера Текст. / С. Ф. Яцун, О. Г. Локтионова, Т. В. Гали-цына // Известия ВУЗОВ. Сер. Машиностроение: научно-технический журн. 2008. № 6. С. 50-56.

81. Яцун С. Ф., Маслова О. Г. Моделирование процесса поведения сыпучего материала в условиях вибрационного воздействия // Сибирский физико-технический журнал. 1992. Вып.1. С. 94-97.

82. Bjurulf A. Chip Geometry. Methods to impact the geometry of market chips // Doctoral thesis. Swedish University of Agricultural Sciences. Uppsala. 2006. 43 p. diss-epsilon.slu.se/archive/00001251/01/Chipgeometry.pdf

83. Hartmann, H., Böhm Т., Jensen P.D., Temmerman M., Rabier F. and Golser M. Methods for size classification of wood chips // Biomass and Bioenergy. Vol. 30, Issue 11, November 2006, Pages 944-953. http://www.sciencedirect.com

84. Hellström L.M., Gradin P.A. and.Carlberg Т. A method for Experimental Investigation of Wood Chipping Process // Nordic Pulp & Paper Nordic Pulp and Paper Research Journal. Vol. 23, 2008. Issue No. 3. P. 339342. http://www.npprj.se/

85. Hellström L.M., Isaksson P., Gradin P.A., Eriksson K.> An Analytical and Numerical Study of some Aspects of the Wood Chipping Process // Nordic Pulp and Paper Research Journal. Vol. 24, 2009. Issue No. 2. P. 225230. http://www.npprj.se/

86. Nati C., Spinelli R., Fabbri P. Wood chips size distribution in relation to blade wear and screen use // Biomass and Bioenergy. Vol. 34, Issue 5, May 2010. Pages 583-587 http://www.sciencedirect.com

87. Timber Bulletin. Forest Products Statistics // http://timber.unece.org

88. Verhulst, P. F. // http://en.wikipedia.org/