автореферат диссертации по технологии, машинам и оборудованию лесозаготовок, лесного хозяйства, деревопереработки и химической переработки биомассы дерева, 05.21.01, диссертация на тему:Процесс очистки пневого осмола импульсными гидравлическими струями

Московский лесотехнический инсиьуг

На правая руксгаси

ПОЛЯНИН ИГОРЬ АМКСАНДРОВИЧ

ПРОЦЕСС ОЧИСТКИ ПНЕВОГО ОСМОЛА ИИШЬСШМИ ГИДРАВЛИЧЕСКИМИ СТРУЯМИ

Специальность 05,21.01. Технология и папины лесного хозяйства я лесозаготовок

Автореферат диссертации на соискание ученой степени

как» тдате технических наук

Москва 1992

Работа выполнена в Марияскои ордена Друагби народов полите,..шческом иное игу те им. М. Горького на кафедре водного транспорта леса и гидравлики.

Научный руководитель - заслужат й деятель науки и технихи

МССР, доктор технических наук, про-,)ессор О.Я.Дмитриев.

Официальные ог онанты - доктор технических наук, профессор

N.Н.Симонов; - кандидат технически*, наук Г.Н.Долгобородов.

в Ведущее предприятие - В1ШИЛВ0ЛТ

Зашито состоится " / * ______1992 г. в "/£_" чаоов

на заседании специализированного совета в Московском лесотехническом институте пс адресу: Ш001 "Московс ая область, г.Иы-тици-1, (<ЛТИ.

С . .деезртацией иогно ознакомиться в библиотеке Московского лесотехнического института.

Автореферат разослан п3 " ¿¿/Г^АЯ___199? г.

Ваши отзывы на автореферат в двух экземплярах, подписанные и заверенные печ&тьп учреждения, просим направлять по адресу: 141001 Московская область, г.Мытищи-1,МЛТИ, ученому секретарю.

Ученый секретарь

специализированного Семенов Ю.П.

совета

- 3 -

ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Со>")вмоннов развитие народного хозяйства отавит задачу значительного увеличения масятабов создания, освс ния и внедрения в производство новой высокоэффективной техники, обеспечтеавцей значительный рост производительности груда, снижение материалоемкости и анергсемкости, улучшение качества выпускаемой продукции, повышение е§ конкурентоспособности на внешноы рынке.

Перед лесной, целлвдозко-бумакнои и деревообрьбагвааощей проыыаленностьв поставлена задачи оьвопечения рационального использования лесоеирьезнх ресурсов путем повышения комплексной переработки древесного сырья, повышения производительности труда и снижения себестоимости продукции путем улучшения с руктуры производства и оснащением придприятнй високопроизводительним-ч машинами .

Актуальность темы. В напей стране ежегодно загогаллк дется око."1 400 илн.м3 леса на пхоцидя свшае 2 млн.га. По научным данный 10-1535 древесины заключено в корневой системе, следователь..о, ежегодно более 40 илн.и3 пневой древесина остается на лесосеках. Однии из направлений полнот-» использования доступной биомассы дерева является еирокое использование пневой -?еве тны. Поiтему сг.ореиаего реоения требую* вопросы, связанные с оргаьиз'ччей, техникой и технологией заготовки пневого осмола, используемого для получения аксгракционяой канифоли, скипидара и других химических компонентов. Потребность в канифоли промышленность!) удовлетворяется только на 60-657, несмотря на значительные запаси паевого осмола. Одна из причин несоответствия между пот, >бностьо а фактическим объемом производства канифоли - плохое обеспечение канифояьно-акс >акциочиых заводов сырьъм.

Поэтому основной целью заготовки пнавоР чревесины т виде спе-

- Ч '

лих или свежих пней с высоким содержанием смолистых веществ является обеспечение сырьем действуощих з наией стране канифольно-эк-стрнкционных заводов, полное достижение производственных мощностей которых потребует почти двухкратного увеличения количества сырья.

В настоящее время заготовка пневого осмола осуществляется двумя способами: механизированным и взрывным. Данные способы корчевки пневого осмола не ооеспечивают очистку пневой древесины от грунта и крупных твердых фракций, вросиихся в корневую систему. После корчевки пневая древесина содержит 40-50^ грунта и крупных твердых фракций от общего веса пня. Возникает также необходимость в отделении от просмолившейся части пня гнили, коры и мелкой корневой система, практически не содержащих смолистых веществ.

В связи с этим решение вопрсса очистки пневой древесины с последуомим использованием её в производстве приобретает исключительно взхнсе значение.

Лесная и деревообрабатываощая промышленность располагает различными механическими, химическими и другими способами очистки круглых лесоматериалов. Однако специфические особенности и строение пневой древесины исключает возможности использования »тих способов для очистки пней. В настоящее время в отечественной и зарубежной практика лесопромышленных производств просматривается попытки применения гидравлической окорки и очистки круглых лесоматериалов. Известные зарубежные гидроокорочиые малины предусматривают использование стационарных гидравлических струй. Обладая сравнительно высокой производительностью эти гидравлические окорочные мавшнн энергоемки и требуят огромных расходов эоды. Нг.ибояее целесообразным представляется использование в этом случае импульсных гидравлических струя. Впервые импульсные гидравлические струи для первичной обработки круглых лесоматериалов были успешно применены

в Марийском политэхничоскок институте. Применекио импульсных гидравлических струй позволило по сравнению со стационарными гидравлическими струями значительно снизить энергоемкость окорочных мааин я потребности вода для очистки.

В этой связи использование импульсных гидравлических отруй для первичной переработки пневого осмола имеет несомненную перспективу.

Повчшение оффективности лесопромышленного производства путем разработки прогрессивной технологии гидроимпульсной очистки пнавого осмола, позволяющей повысить производительность труда на данной операции, улучшить рациональное использование биомасса древесного сырья, снизить трудозатраты и энергозатраты на очистку I м3 пневого осмола, улучшить условия труда. ^ОЁМ э 1 зн 4; '

определены оптимальные параметры импульсных гидравлических струй,, предназначенных для очистки пневого осмола;

изучена динамика взаимодействия гидравлической импульсной струи с ловерхностьв пневой древесина и еэ корневой системой;

разработаны математические иодели, позволяющие определить исходные динамические характеристики импульсных гидравлических отруй по сило удара струи о преграду: поверхность пня, корневую систему;

разработана конструкция установки гидроимпульсной очистки пневого осмола;

разработана конструкция окорочного импульоатора, защищенная авторским свидетельством на изобретение.

зак-явчает0я в что в результате проведенных исследовании даются рекомендации для конструктивной разработки и проектирования гидроимпульсных машин для очист-

:и пневой древесины на лесопрочншленных предприятиях, специализирующихся на заготовке пневого осмола. Использование гидроимпульсных устинопок по очистко пновоя древесины в производстве позволит улучишь технологии заготовки пневого осмола, повысить производительность и снизить затраты труда на операции очистки пневого осмоле, улучшить комплексность использования древесного сырья.

Экспериментальные исследования по очистке пневой древесины импульсными струями проводились э научно-исследовательской лаборатории кафедры водного транспорта леса и гидравлики Марийского поли-тохкичвекого института им.А.М.Горького и на спытно-промыилен-ной установке гидроимпульсирй окорки лесоматериалов ЛО-ЧВ на Междурэчвнском лесоперевалочном комбинате.

Ап^об^ция работы. Материалы диссертационной работы докладывались на научных конференциях Марийского ордена Дружбы народов п#ли*охнического института им.М.Горького в 1682, I9S3,

19Я7 г.г., на координационном совещании по формированию пл.и;а НИ и ОКР на 1935 г. "Комплексная механизация заготовки осмола и добыча живицы", состоявшегося в иане Г984 г. в КирН.ГЛПв Реализация_Еаб2ты. Экспериментальный образец гидроимпульсной очигтви Л0-№, изготовленный к*-{едрс1» водного транспорта леса и гидравлики Марипгкого политехнического института им.A.M. Горького прешел испытания на Мдждуреченском лесоперевалочном комбинате, Импульсный гид|Юимпульсатор внедрен в учебный процес« в Йчрийском политвхгичеогом институте А.Горького как учеб-ио-нагл иное пособие при изучении курса "Гидравлика и гидравлические казинн".

Публикцаии. По твке диссертации опубликовано 4 статьи, 2 oi чета п" ¡lib1, пол/чено I авторское свидетельство на иэобрегение.

Объем работы. ПГ страниц машинописного толста, кодичество иллюстраций 61, количество таблиц 21, библиография из 79 наименований. Работа состоит из введения, 5 глав, заключения, списка использованной литературы и приложения на 33 страницах.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первом разделе рассмотрены вопроси распространения гид-равдичоских струп агидкосп!, и* взаимодействие о преградой. Сделан краткий oöi. р работ Мидовича Л.Я., Абрамовича Т.Н., Коновалова В.Н., Вуллиса Л.А., Дмитриева Ю.Я,, Войцеховского t.B., Лисицы H.A., Кисдицинои Г.Ф., Григорьева А.Н., Прандтля JI., Толми-ена В., и других учоных, писвященных вопросам распространения гидравлических струн. Дан анализ существующих способов очистки круглых лесоматериалов и очистки пневой древесины. Рассмотрены работы Пигильдина Н.*£., Симонова М.Н., Кислицинои Г.Ф., Югова Б.Г., Григорьева А.Н. и других ученых, посвященные вопросам очистки лесоматериалов , сделан анализ существующих устройств предназначенных для очистки пневой древесины. На основе этого обоснована целесообразность использования гидрвлических импульсных струй для очистки пневого осмола, сформулированы цель и задачи исследований.

Во втором разделе изложен» методика проведения експеримечталь-ниа исследования по изучении динамических характеристик импульсных гидравлически* струй н очистке пневого осмола.

При проведении экспериментальных исследований по изучению динамических характеристик импульсных гидраьлических струи в качестве варьируемы« факторов приняты:

Д- максимальное давление в гидроимпульсаторе перед насад-го, Ж1а;

В - расстояние от среза насадков дс прегради, м;

J - частота следования импульсов высокого давлении, Гц;

с/о - диаметр насадка, м. В качестве критерия отклика приняты:

- максимальная сила удара струи о преграду за время импульса, Н. * При проведении опытов по очистке натурных образцов пневой древесина исследования проводились для четырех технологических операций: удаление грунта и крупных фракций, удаление коры, удаление гнили, удаление мелкой корневой системы.

В качестве фактора отклика для первых трех операций принималась ширина обрабатываемой поверхности В при прохождении единичной импульсной струи.

В качестве варьируемых факторов приняты:

(? - расстояние меицц гидроимпульсэтором и обрабатываемой

поверхность», м; (¿с - диаметр насадка, м;

У - частота следования импульсов высокого давления, Гц. При проведении опытов сксрость подвижной платформы с рабочим органом должна бить такой, чтобы при данной скорости производились очистка пневой древесины от грунта, коры и мелкой корневой системы. Поэтому в установке заложена скорость движения гидроимпульсатора рапная Vя 0,1 м/с, которая обеспечивает эффективную работу гидроимпульсатора на всех четырех операциях.

При удалении молкой корневой системы в качестве фактора отклика принят диаметр срезаемых корней 2)к . В качестве варьируемых факторов принята: £ - расстояние между гидроикпульсатором и корневой системой, м;

У - частота следования импульсов высокого давления, Гц; с - расстояние ст напала корня до точки воздействия импульсной струи, м.

При планировании экспериментальных исследований использован метод эвристического регрессионного анализа с использованием программ случайного поиска для расчета регрессионных коэффициентов на ЭВМ.

• В третьем разделе изложены результаты экспериментальных лабораторных исследования. Обработка осуществлялась на ЭШ мзто-дами математической статистики. В соответствии с цельи и задачами работа экспериментальные исследования проводились в несколько самостоятельны*, этапов.

На первом этапе исследовались начальные параметры импульсных гидравлических струй: влияние величины и характера давления на динамические свойства импульснык струи; форма и размеры единичного импульса струи; .влияние начальны* параметров на величину начальной выходной скорости импульсной струи.

В результате обработки осциллограмм создаваемого импульса получена зависимость величины максимального давления от времени импульса:

Получена зависимость между радиусом поперечного сечения единичного импульса и расстоянием его по оси.

На втором этапе проведены исследования динамических характеристик импульсных гидравлических струй - силового воздействия импульсной струи на преграду.

В результате обработки экспериментальных данны* получены зависимости влияния на величину максимальной силы удара струи на преграду дзвления перед насадком, диаметра насадка, расстояния от

- 10 -

среза насадка до преграды и частоты следования импульсов.

Н-1 третьем этапе проверены экспериментальные исследования по очистке образцов пиевого осмола. Результаты опытов представлены графически на рио. I. Результаты обработки представлены в виде регрессионных модален.

Модель первая - удаление грунта Л г/г

/10(316 л

в у? (0,0037+2) С>63Мр„' Усз)

Модель вторая - удаление коры

Модель третья - удаление шили

Ф, 0223 * /, $тг*'*9гг)£>, инр^мы - р)

Модель четвертая - удаление мелкой корневой системы

^-^¿-^шв^*'**'3) с****)

В результате проведанных исследований установлено, что для всех четырех технологлческих операций наиболее эффективной частотой пульсаций гидравлических струй являлась частота равная 20 Гц. При малых частотах пульсаций струя не создавала необходимого динамического воздействия на пневув древесину. Наблюдалось неполное удаление грунта с пней. Удаление коры, гнили и обрезка мел-.яоЯ корневой системы происходили при очень больших напорах. При более высоких частотах пульсаций наблвдалось рассеивание импульсной гидравлической струи и эффективность её резко снижалась

Экспериментально было установлено также, что наиболее эффективными максимальными давлениями при выполнении этих четырех технологических операций явились давления, изменявшиеся в пределах от 10 МПа до 20 МЛа. При более низких давлениях очистка пневой древесины от грунта, коры и гнили била мало эффективной, а обрезка

от-

0,01-

0,005-

Ь,н

V

0,05

а-уЭы 0 -уЬ-л е/ше гру/ 'пи* г/пи •ни* ке(*и га / . 1 Хл,

■ы \

/ 1

0/6

014 0,22

Рис. I. Теоретические и экспериментальные графики функций

в? */{')> А -М В„ -М А -У/у

корневой системы не осуществлялась.

Также били определена наиболее'эффективные величины диаметров струеобразурдих насадков для выполнения каждой из четырех технологических операций.

При удаления грунта наиболее эффективным являлся насадок с диаметром выходного отверстия 5 им. Насадки с меньшим диаметром давали незнзчительнув ширину обрабатываемого слоя. Насадки же с больиим диаметром не обеспечивали необходимого динамического усилия.

Для окорки яаяболео эффективным являлся насадок о диаиотром 3 ми. Использование насадков с большими диаметрами дает некачост-веянуо опорку на Есех режимах работы установки. При насадках мень-оих диаметров вместо с удалением коры происходит нарушение ловерх-ностного слоя древесина.

Удаление гнилей со спелого пневого осмола наиболее а^ек 1в-но при истечении имаульснн* струй из насндка с диаметром выходного

отверс-. я А мм, а брезка мелкой корневой системы - о диаметром 2 мм.

• Эффективность очистки i .евого осмола от расстояния выходного отверстия насадка до обрабатываемой поверхности представлена на рис. I.

Наиболее благоприяткый режим очистки пневого осмола от грунта достигался при величине £ » 30U-32Q мм. При этом, наибольшая аирина обработанного слоя составила 120 мы. Наибольшая ширина удаленного слоя коры (до 40 мм) и наилучшее качество окорки достигалось при величине £» 240-260 ми, а гнили - до 80 мм при £«280-300 мм. При величине & » 80-160 (мм/ достигалась гидравлическая обрезка корней диаметром до 15 мм.

Ч&твертый раздел посвящон разработке математической модели максимальной силы удара струи о поверхность пневой древесины, силы гидродинамического воздействия импульсной струи на преграду, взаимодействия импульсной струи с мелкой корневой системой.

Исходя из теоремы о количестве движения для установившегося пульсирующего потока можно записать ¿^f

^[¿mfaJVfajJ-ljfy^ (7) где масса жидкости;

- скорость яидкости; ' Tfftfjffl- импульс силы.

Рассмотрим динамику взаимодействия импульснои гидравлической струи с твердое стенкой в проделал единичного импульса при установившемся пульсирующем движении.

Величина и направление реакции импульсной струи определяется зависимостью (8)

I П /.. ,) *г- _ /,! j) Г/Ч- /у/ у) / <7/ /5/_//<•/>, / 7. /*.V//ji J

_ и -

Откуда сила удара импульсной гидравлической струи о твер-дув стенку будет определяться зависимостью

Для случая •чглммегричного удара, ксгда </г~ , например в случав удара о циллш'чричоскую поверхность, сила реакции будэт равна

- яМ-^ю гф/,4//- (ад

Сила удара единичного импульса

ям-

циллияд-

рическуо поверхность, к форм^ которой близка поверхность комлевой части пня и отдельных корней системы равна

УМ*гт^-^) ап ,

Используя формулу (II) проводилось орошение результатов теоретических и экспериментальных исследовании.

Для этой цели приведем функцио скорости к явному виду на основании формулы (I) имеем: ___

Повагая=90° и коэффициент^» I, получил

Численные значения максимальной силы удара вычисленные по фор муле СХЗ) и полученные экспериментально дают достаточно удовлетворительное согласование результатов, поэтому это позволяет использовать даннуо формулу для практических расчетов.

Взаимодействие импульсной гидравлическом струи с корнеьой системой будет определяться уравнением

где 2 ~ стрела прогиба корня в точке с абциссои -2*в момент времени ¿~ .

Прогиб чорня В состоит из составляющей, создаваемо» свобод-

ньу.и колзбания» . ^и создаваемой вынужденными колебаниями.^. Следовательно следует записать

м ^ as)

В пятом разделе дано описание стационарной экспериментальном установки производственного типе, изложены методика и результаты оксперимеьтальшх исследовании, проведении* на установке гидроимпульсной окорки лесоматериалов производственного типа, смонтированной на Мевдуреченском лесопореиалочном комбинате лесосплавного производственного объединения "Волгслзсоспдав".

Результаты промышленной апробации показала удовлетворительное совпадение р-очетных режимов очистки и фактических результатов, полученных в работе, а также её достоверность.

С учетом основных технологических особенностей заготовки спелого пневого осмола разработаны технологические схемы включений гидроиьпульсной очистки в производственный процесс лесозаготовительных предприятий.

Дан акосмический расчет предложенного технологического процесса работы гидроимпульсной установки в условиях Каяского леспромхоза, хг орыП позволяет получить экономический эффект 20,27 т.р. в год при годовом ооовиа переработки сырья 42,4 тыс.м3. Общий экономический эффект от внедрения техноло ического процесса гидроимпульсной очистим пневого осмола на лесоперерабатывающих предприятиях составит 187,62 т.р. в год в ценах 1990 г.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ I. Разработан новый способ очистки пневой древесина на базе •«пользования гидравлической энергии импульсных струи, создаваема*.

при высоком даэлени и больших частотах пульсаций, учитывающий характерные особенности формы обрабатываемой пнево« древесины и цела очистки - удаление грунта и твердых фракций, вроошихся в кораевуо систему, мелкой корневой системы, коры и гнили.

2. Определены наиболее эффективные вйличлнн максимального давления и геометрические размеры струеобразувщвго насадка для

1

создания единичного импульса с высокими гидродинамически»^ хврак-^ , теристиками для выполнения указанных выие технологических операций для очистки лнавои древесины.

3. Определены оптимальные динамические характеристики импульсные гидравлических струя - силового воздействия гидроимпульсов на преграду - способствующие наилучвему удаленлп грун-..», мелкой корневой системы, коры и г,.или при очистке пневой древесины.

4. Установлены экспериментально зависимости ширины удаления лори, гнили и грунта, а также диаи«тра срезаемых корней от величины максимального давления, диаметра струообразуюяего насадка, частоты пульсаций и расстояния от среза насадка до обрабатываемой поверхности пия для всех четырех технологически* операции.

5. Основываясь на законе сохранения анергии разработаны математические модели процессов окорхи и обрезки корневой системы древесины, получена функциональная зависимость силы гидродинамического воздействия импульсном струя иа преграду; установлена аналитическая зависимость для максимальной силы удара струи о поверхность пневой древвеини, находящаяся в удовлетворительном согласованна с результатам" экспериментальна исследований и могущая служить теоретическое основой для инженерных расчетов-

6. Разработаны технологические схемы с использованием установки гидриинпульоной счиотки пневогс осмола в производственном процессе лесозаготовительных предпрняпг , технологический цикл очно хи пневого осмола апри^ирова . в условиях Междуреченского лесопере-валочи"ч> коибин та объединения 'Волголесосгглав".

7. Расчетный годовой экономический эффект от предполагаемого внедрения гидроимпульского способа очистки пневой древгс~ины с последующей переработкой на дерввообрабатывавдил предприятиях составляет 487,62 т.р.

Осевков содержание диссертации опубликовано в следующих работа*:

1. Полянин ¡I.A. Сила удара импульсной гидравлическое струи

о твурдув стенку. /Марийск. политехнчч. ин-т. - иошкар-Ола, 19Ö9, -7с., Рус. - Деп. в ВНМШИлес^оом I5.02.Ö9, » 2424 - лб09.

2. Полянин И.А. Обработка пневой древесины импульсными гидравлическими струями. /Марийск. политвхнач. ип-т. - Кошкар-Ола, I98S, - 10 е., Рус. - Деп. в ШШШлеспром i5.02.69, * 2423 -

л689. •

3. Полянин И,А. Гидроимпульсатор. - Йошкар-Ола: ЦНТЙ, ИЛ * 56-86.

Полянин if.A. Установка для очистки пневой д; >весины импульсными гидравлическим^ струями. - Иошк;р-Ола: ЦНТИ ИЛ № 57-86.

5. A.c. 12Ш23 СССР, ¡Ш3В05С>1/03, Гидроимпульсатор./В.Я. Дмитриев. И.А.Полянин vCCCP). - № 377IÜIZ/.23-05; Заявлено 11.07. 64. Опубликовано 28.02.Ь6. Бил. ¡t д. - 3 с.

Подписано к печати 25.03.92. Формат 60x84/16. Бумага писчая. Объем 2,0 п.л. Тираж 100 акэ. Заказ К- 979. Бесплатно.

Ротапринт Марийского политехнического института 424006. г.Йошкар-Ола, пер.Панфилова, 17