автореферат диссертации по технологии, машинам и оборудованию лесозаготовок, лесного хозяйства, деревопереработки и химической переработки биомассы дерева, 05.21.01, диссертация на тему:Обоснование конструктивных параметров, обеспечивающих снижение потерь древесины при ударе щепы о неподвижные поверхности

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКАЯ ЛЕСОТЕХНИЧЕСКАЯ АКАДШИЯ

на правах рукописи

ИЛЬЕНКО Борио Константинович

ОБОСНОВАНИЕ КОНСТРУКТИВНЫХ ПАРАМЕТРОВ.ОБЕСПЕЧКВА-ЮЩИХ СНИЖЕНИЕ ПОТЕРЬ ДРЕВЕСИНЫ ПРИ УДАРЕ ЩЕПЫ О НЕПОДВИЖНЫЕ ПОВЕРХНОСТИ

05.21.01 - Технология и машины леоного хозяйства и леоозаготовок

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

С-.Петербург 1992

Работа выполнена в Санкт-Петербургской лесотехнической академии на кафедре технологии лесозаготовительных производств

Научные руководители - доктор технических наук,профессор

Бойков С»П;

кандидат технических наук,доцент Лаутнер Э.М.

Официальные оппоненты -доктор технических наук,профессор

Лебедь С.С.

кандидат технических наук,с.н.с. Локитанов Б.М.

Ведущая организация - "Гипродрев"

Защита диссертации состоится*^- Т99? г.

в /<7 часов на заседании специализированного совета Д 063.50.01 в Санкт-Петербургской лесотехнической акадеиии (I940I8, С.-Петербург, Институтский пер., 5, главное здание, зал заседаний).

С диссертацией ложно ознакомиться в библиотеке академии. Автореферат разослан ^__c£¿¿JT._1992 г:

Ученый секретарь специализированного совета, доктор технических наук,

профессор Г.М.Анисиыов

Подписано в печать с оригинал-ыакета 10.09.92. Формат 60x90/16. Бумага оберточная. Печать офсетная. Печ.л. 1,0. Уч.-изд.л.1 ,0. Тираж 100 экз. Зак.90. Изд.№ 32. С 32.

Редакционно-издательский отдел ЛТА Подразделение оперативной полиграфии ЛТА I940I8. Санкт-Петербург, Институтский пер., 5(3)

ОЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность теш. Увеличение объемов производства технологической щепы с учетом снижения ее потерь рассматривается как одна из возможностей повышения эффективности использования древесины. В настоящее время проводятся работы, направленные на совершенствование технологических процессов, создаются новые виды оборудования, которые позволяют улучшить качество вырабатываемой щепы, широко применяемой в различных целях.

Б существующих рубительных машинах, приемниках щепы и пневмотранспортных системах в результате удара . о неподвижные детали часть щепы разрушается и превращается в некондиционную мелочь. Исследования процесса соударения потока щепы с неподвижной преградой при скоростях более 20 м/с ранее не проводились.

цель работы. Совершенствование технологического процесса выработки щепы путем исключения отрицательного влияния ее удара о детали и узлы оборудования.

Научная новизна работы. Разработан метод гашения энергии полета щепы последовательными косыми ударами о неподвижные Поверхности, позволяющий снизить потери щепы в виде мелочи при ее приеме и пнзвмотранспортировке. Получены зависимости и установлены критические углы встречи потока щепы с неподвижными поверхностями, обеспечивающие сохранность щепы. Разработана математическая модель удара щепы о поверхность.

Научные положения, выносимые на защиту:

- обоснование метода гашения энергии летящей щепы последовательными ударами о неподвижные поверхности,

- изменение характера динамического воздействия при взаимодействии щепы с неподвижной поверхностью,

- математическая модель динамического воздействия неподвижной поверхности на движущуюся щепу,

- экспериментальные данные зависимостей фракционного состава щепы от величин углов встречи потока с неподвижной поверхностью,

- методика определения направления движения потока щепы из рубительной машины с безударным выбросом.

- основные параметры приемника щепы с поперечный сечением корпуса в виде многоугольника.

Достоверность выполненных в диссертации исследований подтверждается согласованностью результатов теоретических и экспериментальных исследований, а также положительными результатами промышленных испытаний предложенного устройства .для приема щепы и использованием его конструктивных параметров в условиях Вирумаасского лесопромышленного объединения и Г03Б0 им.Рошаля (г.Гатчина).

Практическая значимость работы. Результаты теоретических и экспериментальных исследований, базирующиеся на сформулированных в диссертации научных положениях, могут быть использованы при проектировании устройств для приема щепы, лиши пневмотранспорта, рубительных машин, выборе режимных параметров щепопровода для привязки машины в технологические потоки. Экономический эффект от внедрения установки в технологический поток с рубигельной машиной составит 14,7 тыс.руб.(в ценах 1988г.)

Реализашш работы. На основании результатов работы и полученных рекомендаций, приемник щепы внедрен в потоке линии раскряжевки хлыстов и выработки щепы нижнего склада Сондасско-го лесопункта Вирумаасского лесопромышленного объединения. Материалы диссертации использованы при разработке узлов рубите-льных машин МРЗ-50ГБ и опытно-промышленных приемников щепы.

Апробация работы. Основные результаты работы доложены и одобрены на научно-технических конференциях ЛТА по итогам научно-исследовательских работ (1986...1990 гг.), на научно-тех-ничесхих конференциях КИИЦМАШ (г.Петрозаводск, 1987...1988 гг.), на заседании технического совета Гатчинского опытного завода бумагоделательного оборудования им.Рошаля (1989 г.).

Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 6 статей и получено авторское свидетельство на изобретение.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, семи разделов и заключения, содержит 191 страницу машинописного текста, 69 рисунков, 21 таблицу и список литературы, вклкъ чаодий 71 наименование литературных источников.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Зо введении обосновывается актуальность теш диссертации, изложена цель исследований и научные положения, выносимые на защиту. Раскрывается научная новизна работы, значимость ее для науки и практики. Содержится данные о места проведения и апробации работы, промышленной проверке результатов, структуре и объеме диссертации.

В первом разделе рассмотрены теоретические, экспериментальные исследования и основные направления ранее проведенных исследований в области соударения и производства щепы. Проведен анализ состояния научных исследований и практики производства и приема щепы; работ по движению щепы с точки зрения элементарной теории газов, пневмоударному разделению лесосечных отходов и последствиях удара цепы о конструктивные элементы оборудования, а такке влиянию качества щепы на процесс варки и получаемого волокнистого полуфабриката

В результате были сделаны следующие выводы:

- рассмотренные теоретические и экспериментальные исследования не затрагивают проблему создания малоотходной технологии приема щепы;

- не решен вопрос качественной и количественной оценки

влияния удара щепы под различными углами встречи с конструктивными элементами рубительных малин и пневмотранспор-тных установок;

- в рассмотренных работах нет экспериментальных и теоретических исследований, выявляющих критические скорости и углы удара технологической щепы о преграду и их взаимосвязь;

- существующие конструкции приемников щепы предусматривают ее подъем на значительную высоту, что связано с дополнительными энергозатратами, увеличением высоты строительно-монтажных конструкций, лотерей древесины и ухудшением фракционного состава целы от удара лопаток.

Сделанные выводы позволили наметить следующие основные задачи исследований:

- обосновать метод гашения энергии движущейся щепы последовательными ударами о неподвижные поверхности,

- исследовать теоретически различные варианты процесса

соударения щепы с неподвижной поверхностью,

- разработать математическую модель удара щепы о неподвижную поверхность,

- определить экспериментально направление полета щепы из дисковой рубительной машины МРЗ-401Б,

- проверить на экспериментальном образце универсального циклона эффективность метода последовательных ударов,

- обосновать конструктивные параметры универсального циклона для рубительдах машин.

- применить метод последовательных ударов при расчете конструк ий для приема щепы в различных технологических потоках древесно-подготовительных цехов и предприятий ЦБП,

- обосновать экономическую целесообразность создания устройств для приема щепы с последовательной установкой отражающих поверхностей.

Во втором разделе изложены теоретические исследования взаимодействия технологической щепы и неподвижной поверхности.

Однол из причин образования мелких фракций технологической щепы является ее удар о неподвижную поверхность. Кроме мэ-яких фракций в результате удара в древесине возникают остаточные деформации, которые отрицательно влияют не выход и качество вырабатываемой целлюлозы. Степень разрушения древесины при ударе зависит от многих факторов, одним из которых является величина угла встречи между неподвижной поверхностью и вектором скорости щепы.

Плоскопараллельное движение щепы 1рис.1) можно рассмотреть как поступательное движение центра масс под углом к поверхности со скоростью Чщ и вращательное движение с угловой скоростью Сдщ . Тогда затрачиваемая на деформацию и разру-иение кинетическая энергия равна ,

тУщ' (1)

где № - масса щепы, кг; - угол, образованный вектором скорости Ущ, с неподвижной поверхностью, град.

За счет сил инерции в щепе возникает волна напряжений.

РксЛ. Схема сил к скоростей при ударе щепы о щит

распространяющаяся от поверхности контакта к свободной поверхности. При упругой постановка задачи в момент, когда напряжения на поверхности контакта достигнут максимального значения , вдоль элемента они распределятся по закону

где 1> - размер щепы в направлении, нормальном к поверхности щита.

Приникая, что по сечению щепы напряжения распределены равномерно, потенциальная энергия упругой деформации элементарного объема с площадью сечения Г и длиной <И равна

где £у - модуль упругости древесины в направлении оси у .

После преобразовании получим выракение для критического угла наклона щита, при котором напряжения в зоне контакта достигают разрушающих:

где - динамический продел прочности древесины,

^Р - плотность древесины. Остаточные деформации и трещины в щепе при ударе возникают, если угол встречи ¿ср. < :

«¿и* ^ сидел (5)

Более мелкие фракции (полное разрушение-щепы) образуются, если

I ^ • У.5 , „

$ ОЛйШ ' ' (6)

Когда удар сопровождается главным образом деформацией сдвига, величина критических углов встречи, при которых происходит частичное или полное разрушение щепы, определяется по зависимостям:

1,5 Г

саис&п ш , 4р. 2 ^ олс ип Ш^Ъ™

(7)

У^ТрсГ

где б - модуль сдвига древесины, ]стаг _ предел про-

чности .древесины при статическом скалывании.

При разработке математической модели удара щепы о неподвижную поверхность приняты следующие положения:

- ударное взаимодействие частицы щепы с неподвижной поверхностью происходит за малый промежуток времени. Время удара составляет менее КГ'с»

- ударные силы, действующие на щепу, значительно превышают силы от веса щепы и сопротивления воздуха.

Согласно теореме о движении центра масс, ?

(8)

т

сИ

11

где ШП - масса щепы, 0 - аэродинамическая сила, действующая на щепу со стороны потока воздуха, Я^ - ударная сила

реакции неподвижной поверхности, У - угол наклона неподвижной поверхности, ]/с ~ скорость центра масс (рис.2).

После проведения математических преобразований с учетом принятых положений получим выражение для ударной силы в случае удара боковой стороной

(9)

/f л7~

где ё . сс< (а^ П-1 = -сГ > V/-- '

С _ геометрические параметры щепы, £<-ч - начальная угловая скорость.

Рис.2. Схема удара щепы боковой стороной

Таким образом, в работе разработана математическая модель, позволяющая оценить ударные силы при столкновении с неподвижной поверхностью в самом общем случае расположения щепы относительно поверхности.

В третьем разделе проведены экспериментальные исследования работы дисковой рубительнои машины с безударным выбросом МРЗ-40ГБ, предназначенной для производства технологической щепы из отходов лесопиления и деревообработки, а также низкока-

чественных круглых материалов.

Дня разработки приемников щепы необходимо знать отклонения направления полета щепы от оси загруззочного патрона и ще-поотвода в горизонтально!; и вертикальной плоскостях. Исследования проведены на площадке ДОКа "Вийснури" г.Пярну при снятом щепоотводе рубительной машины. В результате рубки неокоренных березовых бревен диаметром 200...250 мм образовался поток щепы, по фотоснимкам которого определена его плотность и отклонение от оси загрузочного патрона.

Анализ данных показывает, что при рубке древесины основная масса удаляемой из машины щепы движется под углом вверх. 'Гак, при установленных лопатках 86 % щепы перемещается под углами от 0,01 рад. до 0,27 рад., а без лопаток 67 % потока - от 0,004 до 0,21 рад.

Определение расположения баланса в процессе рубки показало, что конструкция загрузочного патрона не обеспечивает проектные углы подачи.

В четвертом разделе приводится методика проведения и результаты экспериментальных исследований приемника щепы в лабораторных условиях.

Исследования проводили на установке, состоящей из лабораторной дисковой рубительной маяшны с наклонным загрузочным патронок и приемника щепы (рис.3). Вылетающая из машины щепа обладает кинетической энергией, приобретенной в момент образования при переходе потенциальной энергии упруго-деформированной древесины в кинетическую. При ударе касательная составляющая скорости щепы уменьшается за счет преодоления сопротивления сил трения о поверхности щитов. Нормальная состазлящая скорости определяет энергию, затрачиваемую на ее деформацию и разрушение, т.е. на изменение фракционного состава.

Анализ данных показывает, что с увеличением угла встречи $ количество остатков щепы на поддоне и на сите с диаметром отверстий 5 мм возрастает, а на сите с отверстиями 30 мм уменьшается (рис.4). Количество кондиционной щепы уменьшается. Влияние угла встречи 91 аналогично влиянию угла V/ . Однако более интенсивно меняется фракционный состав при угле встречи </г больше 50°.

Рис.3. Принципиальная схема лабораторной экспериментальной установки

Но данным эксперимента получены уравнения линейной регрессии процентного содержания щепы определенной фракции в зависимости от угла встречи, которые имеют следующий вид:

1ля остатков на поддоне _ .

= 0/ft 0,007 tf

да фракции 0 о мм ^ 15?+ О, Obf

уи фракции 0 10 мм ^ 24,8 + Ц 22 f

цля фракции 0 üO мы ^ = ^ _ ^ f

%ля фракции 0 30 мм " f^ - 0,02^

В пятом разделе приводятся результаты промышленных испы-ганий приемника щепы, разработанного на основании теоретических и лабораторных экспериментальных исследований.

Испытания прово,цились на нижнем складе Сондасского лесопункта Вирунаасского лесопромышленного объединения. Линия по производству технологической щепы состоит из загрузочного лен-гочного конвейера, рубительной машины мРЗ-40ГБ и приемника щепы (рис.5). Опытно-промышленный образец приемника выполнен в

Рис.4. Влияние угла встречи потока щепы со щитами на изменение фракционного состава

Рис.5. Принципиальная схема промышленной экспериментальной установки: I- отражающие щиты; 2- направление движения потока щепн

зиде короба, на дне которого расположен ленточный конвейер. Внутри закреплены щиты, углы наклона которых относительно порока регулируются в пределах G...9G0.

Испытания проводили при рубке окоренных березовых, сссно-зых и осиновых образцов. Условия проведения опытов следующие: средняя скорость резания 25 м/с, средняя скорость вылетающей 13 машины щепы 33 м/с, радиус кривизны режущей кромки на-ха '—9 мкм, размеры приемника: высота 600 мм, ширина 500 мм, ушна 2550...4000 мм, вид крепления щитов - жесткое, количест-¡о щитов 3-4 шт. Критерием оценки работы приемника щепы принят фракционный состав щепы, который определяли по ГОСГ 15815-83.

Анализ результатов показывает, что наибольший выход кондиционной щепы получен при приеме щепы осины и углах встречи, завных: <1{ = 25°, 4= 25°, «¿3= 25°, = 50°, Us= 55°. 3 этом случае основная масса щепы оседала после удара о после-(ний щит. Удары о первый, второй и третий щиты приводили к )седанию до 20 % щепы. Из сравнения результатов опытов следует, что увеличение углов «¿3 и незначительно влияет на вы-:од кондиционной щепы. Увеличение углов встречи и ^ до ¡0° влечет за собой снижение выхода кондиционной щепы. Дт ра-Iличных пород древесины с увеличением углов встречи характер ¡зменения фракционного состава сохраняется аналогично предста-¡ленному на рис.2.

В шестом разделе приводятся результаты испытаний констру-:ции многоугольного циклона, разработанного на основе теорети-гаских, лабораторных и опытно-промышленных исследований и за-щщенного авторским свидетельством на изобретете (рис.6).

С целью установления исходных данных для проектирования щытно-промышленного образца многоугольного циклона проведены ;равнительные экспериментальные исследования работы лабораторных циклонов с поперечным сечением корпуса в виде окружности и гестиугольника.

У многоугольного циклона во входном патрубке установлена ¡аслонка, которая образует с потоком щепы угол $ = 25° и набавляет поток к стенке приемника под углом V2 = 35°.

Исследования проводили при рубке березовых и сосновых об->азцов размерами 55 х 55 х 800 мм, механические свойства кото-

Вид А

Рис.6. Схема многоугольного циклона :1- корпус ^-входной патрубок; 3- шнековый разгрузчик

рых (модуль сдвига, модули упругости в радиальном направлении вдоль и поперек волокон) определены методом неразрушавдего контроля древесины. Критерием сравнительной оценки качества работы принят фракционный состав щепы, осевшей на днище устройства, и траектории движения потока.

Анализ данных показывает, что принятая в многоугольном циклоне щепа содержит меньше остатков на поддоне и на сите с диаметром отверстий 5 мм. При некотором росте общего количества кондиционной щепы остаток на сите с диаметром отверстий 10 мм уменьшается, а с диаметром 20 мм увеличивается, т.е. происходит перераспределение фракций и увеличение однородности щепы. Характер изменения фракционного состава щепы аналогичен представленному на рис.2 и мало зависит от породы древесины.

Изучение траектории движения показало, что в обоих конструкциях поток щзпы перемещается по нисходящей спирали. Однако в случае круглого поперечного сечения корпуса основания масса щепы оседает на днище, совершив 1,2...1,5 витка, а в случае

многоугольного - после 0,5...0,75 витка.

3 седьмом разделе приводятся расчеты технико-экономической эффективности внедрения результатов работы. Установлено, что ожидавши экономический эффект от использования одной установки приемника щзпы составит 14722 рубля (в ценах 1988г.)

основные вывода и ржс;мш.тпп:

На основании проведенных исследований можно сделать следующие выводы.

1. ;;;етод последовательных косых ударов щепы о неподвижные поверхности позволяет снизить безвозвратные потери щепы в виде мелочи при приеме и пневмотранспортировке.

2. Предложенный метод позволил разработать конструкцию приемника щепы для рубителышх машин с боковым безударным и верхним выбросом, а также дм систем пневмотранспорта.

3. Полученные выражения для определения критических углов встречи потока щепы с неподвижной поверхностью зависят от фи-оико-механкческих свойств древесины, скорости резшпш, размеров цепы.

4. Разработана математическая модель удара щепы о неподвижную поверхность.

5. При скорости потока щепы 20 м/с углы встречи первого

и второго щитов необходимо устанавливать соответственно не более 25 и 50°.

6. При скорости потока щепы 33 м/с углы встречи следует устанавливать не более: = 25°, </2 = 25°, <Д = 60°>

% = 80°.

7. Основные параметры и узлы горизонтального приемника щепы могут быть использованы для разработки промышленного образца.

8. Циклон с многоугольным поперечным сечением позволяет улучшить фракционный состав щепы, снизить энергозатраты и материалоемкость.

9. Критические значения углов встречи потока щепы с неподвижной поверхностью, определенные экспериментально, близки к значениям критических углов встречи, вычисленным теоретически.

10. Исследования подтверждены в производственных условиях Пярнусского деревообрабатывающего комбината и Вирумаасского лесопромышленного объединения.

Предложенная в диссертации конструкция приемника щепы защищена авторским свидетельством.

По материалам диссертации опубликованы следуйте работы.

1. Лаутнер Э.М., Ильенко Б.К. Определение направления полета щепы, вылетающей из дисковой рубительной машины МРЗ-40ГБ,

- В кн.: Технология и оборудование деревообрабатывающих производств. Межвуз.сб.научн.тр. - Л.: ЛТА, 1887.

2. Лаутнер Э.М., Ильенко Б.К. Теоретические исследования удара щепы о неподвижную поверхность. - В кн.: Станки и инструменты деревообрабатывающих производств. Межвуз.сб.научн.тр.

- Л.: ЛТА, 1988, 5 с.

3. Лаутнер ЭЛ., Ильенко Б.К. Влияние угла встречи между неподвижной плоскостью и потоком щепы на ее фракционный состав.

- В кн.: Станки и инструменты деревообрабатывающих производств. Ыежвуз.сб.научн.тр. - Л.: ЛТА, 1988, 4 с.

4. Лаутнер Э.М., Ильзнко Б.К. Исследование работы приемника щепы дисковой рубительной машины с боковым выбросом. - В кн.: Технология и оборудование деревообрабатывающих производств. Межвуз.сб.научн.тр. - Л.: ЛТА, 1988, 5 с.

5. Лаутнер Э.М., Ильенко Б.К. Универсальный циклон для приема щепы из дисковых рубительных машин. - В кн.: Технология и оборудование деревообрабатывающих производств. Межвуз.сб. научн.тр. - Л.: ЛТА, 1990, С.104-105.

6. Лаутнер Э.М., Ильенко Б.К. Испытание макета универсального циклона для приема щепы из дисковых рубительных машин.

- В кн.: Станки и инструменты деревообрабатывающих производств. Межвузсб.научн.тр. - Л.: ЛТА, 1990, 4 с.

7. Ильенко Б.К..Лаутнер Э.М. Устройство для разделения многокомпонентной смеси.-Авторское свидетельство по заявке а 4411810/31-11 от 18.04.88

Отзывы на реферат в двух экземплярах с заверенными подписями просил присылать по адресу; 194018, С¿-Петербург, Институтский пер.,5, Лесотехническая академия. Ученый совет