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 институт

На праве* рукописи

, ПОЛЯНИН ИГОРЬ АЛЕКСАНДРОВИЧ

ПРОЦЕСС ОЧИСТКИ ПНЕВОГО ОСМОЛА ИМПУЛЬСНЫМИ ГИДРАВЛИЧЕСКИМИ СТРУЯМИ

Специальность 05.21.01. Технология и машины лесного хозяйства и лесо- • заготовок

Автореферат диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Москва 1992

Работа выполнена в Марийском ордена Дружбы народов полите,.личеоком инсгитутв им.. М.Горького на кафедре видного транспорта леса и гидравлика.

Научный руководитель - заслужен! -й деятель науки и технихн

МССР, доктор технических наук, профессор Ю. Я. Дмитриев.

Официальные 01 онэнты - доктор технических наук, профессор

М.Н.Симонов; - кандидат технических наук Г.Н.Долгобородов.

Ь' Ведущее предприятие - В1ШИИВ0ЛТ

Зашита состоится • ¿Р " ______1992 г. -в часов

на заседании специализированного совета в Московской лесотехническом институте пс адресу: 141001 Москсвс ая обдаоть, г.Мы-тиди-1, КЯТИ.

С , .лссэртвцией неги о ознакомиться в библиотеке Московского лесотехнического института.

Автореферат разослан "____________199? г.

Ваши отзывы на автореферат в двух экземплярах, подписанные и завегенные печать» учреждения, прооин направлять по адресу: 141001 Московская облаоть, г.Мытищи-Г.МЛТИ, ученому секретарю.

Ученый секретарь

специализированного Семенов Ю.П.

совета

о

- 3 -

ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Со"19ионнов развитие народного хозяйства отавиг задачу значительного увеличения :<асптабов создания, осв( ния и внедрения я производство новой высокоэффективной техники, обесп&ччвавоей значительный рост производительности труда, скижчнив материалоемкости и инергеемкости, улучшение качества выпускаемой продукции, повышение о& понкурентоопособнооти на внешней рынке.

Перед лесной, целлюлозно-бумажной и деревообрьбаткаатцей промыаленностьв поставлена задачи ооесяэчения рационального использования ласосырьезах ресурсов путем повышения комплексной переработки древесного сырья, повышения производительности труда к снесения себестоимости продукции путем улучаения с руктуры производства и оснащением предприятий високопроизводигвльнимя машинами.

Актуальность теми. В навей стране ежегодно звготавлк дется ока*"« 400 млн.м3 леса ив моциди свыае 2 или.га. По научный давним 10-1536 дрэаесинз замочено в корневой системе, следовательно, ежегодно более 40 или.*9 пневой древесины остается на лесосеках. Одним из направлений полного использования доступной биомассы дерева является яирокое использование пневой -певе »ны. Постсму скорейшего рееения трабупт вопроса, связанные с оргакиз-чией, техникой и те-чологией заготовки пневого осмола, используемого для получения акстракционной канифоли, скипидара и других химических компонентов. Потребность в канифоли промы^ленностьп удовлетворяется »олько на 60-65>, несмотря на значительные запасы паевого осмола. Одна я» причин несоответствия между пот. 1бностьо п фактическим объемом производства канифоли - плохое обеспечение канифольно-экс* ^акциочных заводов сырььм.

Поэтому основной цель» заготовки пневор древесины г виде спе-

- ц _

лих или свежих пней с высоким содержанием смолистых веществ является обеспечение сырьем действующих з нашей 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 ооеспечивавт очистку пневой древесины от грунта и крупных твердых фракций, вросшихся в корневую систему. После корчевки пневая древесина содержит ^0-50> грунта и крупных твердых фракций от общего веса пня. Возникает также необходимость в отделении от просмолившееся части пня гнили, коры и мелкой корневой системы, практически не содержащих смолистых веществ.

В связи с этим решение вопроса очистки пневой древесины с лоследуощим использованием её в производстве приобретает нсклпчи-тельно важное энечение.

Лесная и деревообрабатывающая промышленность располагает различными механическими, химическими и другими способами очистки круглых лесоматериалов. Однако специфические осбенности и строение пкеьой древесин» исключает возможности использования этих 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 гидроокорочные мавины предусматривают использование стационарных гидравлических струй. Обладая сравнительно высокий производительностью эти гидравлические окорочные мзшины энергоомки и требует огромных расходов воды. Нг.ибояеа целесообразным представляется использование в этом случае импульсных гидравлических струй. Впервые импульсные гидравлические струи для первичной обработки круглых лесоматериалов были успешно применены

в Марийском политехничоском институте. Применение импульсных гидравлических струй позволило по сравнение со стационарными гидравлическими струями значительно снизить энергоемкость окорочных машин и потребности води для очистки.

В этой связи использование импульсных гидравлических струй для первичной переработки пневого осмола имеет чесомненнус перспективу.

Повчшвние аффективности лесопромышленного производства путем разработки прогрессивной технологии гидроинпуль-сной очистки пнавого осмола, позволяющей повысить производительность труда на данной операции, улучшить рациональное использование биомассы древесного сырья, ониэить трудозатраты и энергозатраты на очистку I и3 пневого осмола, улучшить условия труда.

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

изучена динамика взаимолейотиия гидравлической импульсной струи о поверхность» пневой древесины и её корневой системой;

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

разработана конструкция установки гидроимпульсной очистки пневого осмола;

разработана конструкция окорочного импульсатора, защищенная авторским свидетельством на изобретение.

эаклочается в ток, что в результате проведенных исследовании дастся рекомендации для конструктивной разработки и проектирования гидроимпульсных маяин для очист-

:tt пневой древесины иа лесопрочишленных предприятиях, специализирующихся на заготовке пневого осмола. Использование гидроимпульсных установок по очистке пневой древесины в производстве позволит улучшить .технологии заготовки пневого осмола, повысить производительность и снияигь аатраты труда ка операции очистки пневого осмоле, улучшить кошиексность использования древесного сырья.

^2.512_й£°52Лвн»я_экспо£имвнтальных Экспери-

ментальные исследования по очистке пневой древесины импульсными струями проводились з научно-исследовательской лаборатории ка]>едри водного транспорта леса и гидравлики Марийского политехнического института им.А.М.Горького и на спытно-промывлен-Hott установке гидроимпульенрй окорки лесоматериалов Л(М8 на Междуречэнском лесоперевалочном комбинате.

работы. Материалы диссертационной работы докладывались на научных конференциях Марийского ордена Дружбы наро дов п#ли*охническсго института им.А.И.Горького в IS82, 1983, 19У+, 19Я7 г.г., на координационном совещании по формировании плаг.а HII и ОХР на 1935 г. "Китиекснпя мсхскизация заготовки о< мола и добнчи живицы", состоявшегося в ионе 1984 г. а КирН.ГЛШ.

rii—^MS.E'i^ili* Экспориментчльный образец гидроимп/льС' ной очигтг-и иг.готовлэкный чифедрсР. водного транспорта ж

ca гидравлики МариЯгкого политехнического института им.A.M. Горького прошел испытания на Мевдуреченском лесоперевалочном комбинате. Импульсный гидроимпульсатор внедрен в учебный npouei в Арийском политехническом институте им.А.-Л.Горького как учеб но-наглгдное пособие при изучении курса "Гидравлика и гидравли чэсхпв каакны".

Поляками. Но токе диссертации опубликовано статьи, 2 i чета по ¡¡И;', получено I авторское свидетельство на изобретение

Объем работы. Ш страниц машинописного текста, количество иллюстраций 61, количество таблиц 21, библиография из 79 наименований. Работа состоит иэ введения, 5 глав, заключения, списка использованной литературы и приложений на 33 страницах.

С0ДЕРМШ1В РАБОТЫ

В парном разделе рассмотрены вопроси распространения гидравлических струп ¡гидкости, их взаимодействие о преградой. Сделан краткий oöi р работ Миловича А.Я., Абрамовича Т.Н., Коновалова В.Н., Вуллиса Л.А., Дмитриева И.Я,, Войцеховского U.B., Лисицы H.A., Кисвицинои Г.Ф., Григорьев-* А.Н., Прандтля Л., Толми-ена В., и других ученых, писвяценних вопросам распространения гидравлических струи. Дан анализ существующих способов очистки круглых лесоматериалов и очистки пневой древесины. Рассмотрены работы Нигияьднна , Симонова М.Н., Киелицинои Г.Ф., Югова В.Г., Григорьвоа А.Н, и других ученых, посвяценные вопросам очистки лесоматериалов, сделан анзлиз существу щих устройся, предназначенных для очистки пневой древесины. На основе этого обоснована целесообразность использования гидртличйских импульсных струй для очистки пнеаого осмола, сформулированы цель и задачи исследований.

Во второй разделе изложен» методик! проведения экспериментальны* исследования по изучение динамических характеристик импульсных гидравлически* струй и очистке пневого осмола.

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

¡>н~ максимальное давление в гидроимпульсаторе перед насид-r.cv, ЯПа;

£ - расстояние .от среза насадков д», прегради, м;

J - частота следования импульсов высокого давлении, Гц;

- 8 -

Йв- диаметр насадка, и.

В качестве критерия отклика приняты:

У* - максимальная сила удара струи о преграду за время импульса, Н. ,

При проведении опытов по очистке натурных образцов пневой древесины исследования проводились для четырех технологических операций: удаление грунта и крупных фракций, удаление коры, удаление гнили, удаление мелкой корневой системы.

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

В качества варьируемых факторов приняты:

Ц - расстояние между гидроимпульсэтором и обрабатываемой поверхностью, м;

с((> - /иаметр насадка, м;

У - частота следования импульсов высокого давления, Гц.

При проведении опытов скорость подвижной платформы с рабочим органом должна быть такой, чтобы при данной скорости производились очистка пневой древесины от грунта, коры и качкой корневой системы. Поэтому в установке заложена скорость движения гидроимпульсатора равная 0,1 и/с, которая обеспечивает эффективную работу гидроимпульсатора на всех четырех операциях.

При удалении мэлкой корневой системы в качестве фактора отклика принят диаметр срезаемых корней -/¡г .

В качестве варьируемых факторов принята:

?- расстояние между гидрои^пульсатором н корневой системой, м;

У - частота следования кмпуньсов высокого давления, Гц;

С - расстояние ст начала корня до точки воздействия импульсной струи, м.

При планировании экспериментальных исзледовакей использован метод эвристического регрессионного анализа с использованием программ случайного поиска для расчета регрессионны* коэффициентов на ЭВМ.

' В третьем разделе изложены результаты экспериментальных лабораторных исследования. Обработка осуществлялась на ЭЭД мзто-дакй математической статистики, В соответствие с целью и задачами работа экспериментальные исследования проводились в несколько самостоятельна* этапов.

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

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

(I)

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 даяныл получены зависимости влияния на величину максимальной сила удара струи на преграду давления перед насадком, диаметра насадка, расстояния от

- ю -

среза насадка до преграды и частоты следования импульсов.

На третьем этапе проверены экспериментальные исследования по очистке образцов пневого осмола. Результаты опытов представлены графически на рио. I. Результаты обработка представлены в виде регрессионны? моделей.

Модель первая - удаление грунтч Зу* (0,0037 + 2.0033?' )0,6366р„' (О/М-Цоаз^

Модель вторая - удаление коры р^з^ ¿>¿/¿У

Модель третья - удаление гнили 0225*1,

Модель четвертая - удаление келкой корневой системы

А - (дтг-[фМ/-С**"*) <*>

В результате проведенных исследований установлено, что для всех четырех технологических операций наиболее пфЛективнои частотой пульсаций гидравлических струй являлась частота равная 20 ГЦ. При малых частотах пульсаций струя не создавала необходимого динамического воздействия на пневую древесину. Наблюдалось неполное удаление грунта с пней. Удаление коры, гнили и лбрезка мел--хой корневой системы происходили при очень больших напорах. При более высоких частотах пульсаций каблодалось 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, изменяющиеся в пределах от 10 МПа до 20 МЛа. При более низких давлениях очистка пневой древесины от грунта, коры и гнили была мало эффективной, а обреза

Д* В,н OfiiS"\ 0,15

0,0/-

0,005-

С,Oí

А • í/fo а о .уЛы e/tur t/у/ '/ц<е г//ги ми* ле/xt га / L

• - jff^" к* \ 4

у — — _

0,03

o.rf

ojif

Рис. I. Теоретические и зксперйкентальные графики функций

корневой системы не осуществлялась.

Также были определена наиболее эффективные величины диаметров струеобразуадих насадков для выполнения каждой из четырех технологических операций.

При удаления грунта наиболее эффективным являлся насадок с диаметром выходного отверстия Ъ их. Наездки с меньшим диаметром • давали незначительную вирину обрабатываемого слоя. Насадки же с большим диаметром не обеспечивали необходимого динамического усилия.

Для окорки наиболее эффективным являлся насадок о диамотром 3 им. Использование насадков с большими диаметрами дает некачост-ввяяуо окорку на всех режимах работы установки. При насадках меньших диаметров вместо с удалением корн происходит нарушение ловерх-ностлого слоя древесины.

Удаление гнилей со спелого пневого осно;в наиболее эффек га-но при истечения импульсных струй из насадка с диаметром выходного

отверс. я 4 ми, 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 благоприятный режим очистки пневого осмола от грунта достигался при величине £ ш ЗШ-Э20 мм. При этом, наибольшая ширина обработанного слоя составила 120 мк. Наибольшая ширина удаленного слоя коры (до 40 ми) и наилучшее качество окорки достигалось при величине 2*Ю-2бО «н, а гнили - до 80 мм при ^»260-300 им. При величине £■ 80-160 {т) 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 теорема о количестве движения для установившегося пульсирующего потока можно записать

где

масса жидкости; - скорость жидкости; ' импульс силы.

Рассмотрим динамику взаимодействия импульснои гидравлической струи с твердой стенкой в праделал единичного импульса при установившемся пульсирувщем движении.

Величина и направление реакции импульсной струи определяете; зависимостью (6)

- о -

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

¿ля случая "Симметричного удара, ксгда = например в

случае удара о цшшпчричоскую поверхность, сила реакции будот равна

- сю)

Сила удара единичного импульса

циллинд-

рическую поверхность, к форма которой близка поверхность комлевой части пня и отдельных корней системы равна

УМ-- еш) Г и) ,

Используя формулу СП) проводилось ср!знение результатов теоретических к экспериментальных исследовании.

Для этой цели приведем функцию скорости к явному виду на основании формулы (.1) имеем: ______

(12)

ПочагаяУ =90° и коэффициент^7» I, получив

$**< Ш- (13)

Численные значения максимальной силы удара вычисленные по формуле (.13) и полученные экспериментально дают достаточно удовлетворительно о согласование результатов, поэтому это позволяет использовать данную формулу для практических рзсчетов. -

Взаимодействие импульсной гидравлическом струи с корнеьой системой будет определяться уравнением

где 2 - стрела прогиба г.орня в точке с абциссой X в момент времен» У .

Прогиб нория 2 состоит из составляющей, соэдавюмоп свобод-

ньу.и колзбания» . ¿/■и создаваемой вынужденными колебаниями-г^ • Следовательно следует записать

^ сю

J5 - 2J, & W//^ - 16*Л Ж/!Л:

В пятом разделе дано описание стационарной экспериментальной установки производственного типа, изложены методика и результаты экспериментальных исследование, проведении* на устанопке гидроимпульсной окорки лесоматериалов производственного типа, смонтированной ни Мевдуреченском лвсопореналочном комбинате лесосплавного производственного объединения "Волгслесосплав".

Результаты промышленной, апробации показали удовлетворительное совпадение расчетных рекимов очистки и фактичэских результатов полученных в работе, а такие её достоверность.

С учетом основных технологических особенностей заготовки спелого пневого осмола разработаны технологический схемы включений гидроиьпульсноВ очистки в производственный процесс лесоааготпвител ных предприятий.

Дан экономический расчет предложенного технологического процесса работы гадроиипульсной установки в условиях Капского лесиром хоза, к< орый позволяет подучить экономический аффект 20,27 т.р. в год при годовом ос»емв переработки сырья 42,4 тыс.м3. Обвив охо-номический аффект от внедрения техноло ического процесса гидроия-пульсной очистки пновзго осмола на лесоперерабатывающих предприятиях составит 487,62 т.р. в год в ценах 1990 г.

основные ваводи

I. Газработпн нсвыи способ очистки пневой древесины на базе •«пользования гидраьличвекои энергии импульсных струи, создаваемых

при высокой давлени и больших частотах пульсаций, учитывавщий , характерные особенности формы обрабатываемой пнево» древесины и цели очистки - удаление грунта и твердых фракций, вроошихся в корневую систему, мелкой корневой системы, коры и гнили.

2. Определены наиболее элективные величины максимального ' давления и геометрические размеры струеобраэующего насадка для ;

I

создания единичного импульса с высокими гидродинамическими харак-^ . теристикаки для выполнения указанных выше технологически* опера- 1 цкй для очистки пнавои древесины.

3. Определены оптимальные динамические характеристики импульсных гидравлических струй - силового воздействия гидроимпульсов на преграду - способствующие наилучшему удалению грун'.а, мелкой корневой системы, коры « г..лли при очистке пневой древесины.

4. Установлен« экспериментально зависимости ширины удаления лоры, гнили и грунта, а такяе диаметра срезаемых корней от величины максимального давления» диаметра струообразуюяего насадка, частоты пульсаций и расстояния от среза насадка до обрабатываемой поверхности пня для всех четырех технологическиа операций.

5. Основываясь на законе сохранения анергии разработаны математические модели процессов окорки и обрезки корневой системы древесины, получена функциональная зависимость силы гидродинамического воздействия импульсное струи на преграду; установлена аналитическая зависимость для максимальной силы удара струи о поверхность пневой древесины, находящаяся в удовлетворительном согласовании с результатам" экспериментальнчх исследований и могущая слупить теоретическом основой для инженерных расчетов-

6. Разработаны технологические схемы с использованием установки гидроиипульоисй счнотки пнево п. осмола в производственном процессе лесозаготовительных прадприяти , технологический цикл очист хи пневого осмола апръ^ирова. в условиях Меадуреченского лесопоре-валочн'^о комбин та объединения 'Волголесоонлав".

7, Расчетный годовой экономический эффект от предполагаемого внедрения гидроимпульсисго способа очистки пневой древг^ины с последующей переработкой на деровообрибатыващи* предприятиях составляет 487,62 т.р.

0с1.^вное содержание диссертации опубликовано в следующих работал:

1. Полянин И.А. Сила удара импульсной гидравлическое струи

о твирдуо стенку. /Марийск. политехнич. ин-т. - Йошкар-Ола, 1969, -7с., Рус. - Деп. в ШШШЯлес^оом 15.02.69, № 2424 - лб89. •

2. Полянин И.А. Обработка пнеьои древесины импульсными гидравлическими струями. /Марийск. подктвлнич, ин-т. - Кощкар-Ола, 1983, - хО е., Рус. - Деп. в ШШИЗИлеспром 15.02.69, * 2423 -

л689. ' • •

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

4. Полянин Я.А. Установка для очистки пневой д;^весины импуль сными гидравлическими струями. - иошк;р-Ола: ЦНТ1! ЙЛ № 57-86.

5. А,с. 1214223 СССР, ,\ВД3В05&1/08. Гидроимпульсатор./й.Я. Дмитриев. И.к.Полянин (.СССР). - № 3771012/,23-05; Заявлено 11.07. 64. Опубликовано 28.02.Ьб. Бил. $ - 3 с.

Подписано к печати 25.03.92. Формат 60x84/16. Бумага писчая. Объем 2,0 п.л. Тираж 100 экз. Заказ (Р 979. Бесплатно.

Ротапринт Марийского политехнического института •!24006. г.Йоагкар-Ола, пер.Иенфилова, 17