автореферат диссертации по технологии, машинам и оборудованию лесозаготовок, лесного хозяйства, деревопереработки и химической переработки биомассы дерева, 05.21.01, диссертация на тему:Разработка и обоснование основных параметров валкового устройства для сортирования отходов окорки из короотвалов

-'-« о г. • I

ЛЕНИНГРАДСКАЯ ОРДЕНА ЛЕНИНА. ЛЕСОТЕХНИЧЕСКАЯ АКАДЕМИЯ ИМЕНИ С.М.КИКША

На правах рукописи

ГАЛАШЕВ АЛЕКСАНДР НИКОЛАЕВИЧ

РАЗРАБОТКА. И ОБОСНОВАНИЕ ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ ВАЛКОВОГО УСТРОЙСТВА. ДЛЯ СОРТИРОВАНИЯ ОТХОДОВ СКОЗЖИ ИЗ КОРОСГЕВАЛСВ

05,21.01. - Технология и машины лесного хозяйства и лесозаготовок

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Ленинград - 1990

Диссертационная работа выполнена на кафедре механизации лесоразработок Ленинградской ордена Ленина лесотехнической академии имени С. М. Кирова

ншный руководят ш>

ОФИЦИАЛЬНЫЕ ОШЗОЫЕЮЫ

ВЕДУЩЕЕ ПРШРИЯШЕ

доктор технически наук, профессор БОЙКОВ С.П. доктор технических наук, профессор ИЗРАЕДИТ А.Б.

кандидат технических наук, старший научкнй сотрудник ДОШШОВ Б.Ы. ШПРСЖБСТРАНС

Защита состоится " ¿6 " де>иа&ря 1990 г. в " /I " ч сов на заседании специализированного совета К.063.50.05 в Ленинградской ордена Ленина лесотехнической академии имени С.М.Кирова (194018, Ленинград, Институтский пер., 5, главное здание, зал заседаний).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке академии.

Автореферат разослан " с/3 " 1990 г.

Ученый секретарь специализированного совета

1УДЦЕВ Р.И.

ШНГш!

;/ I

- з -

ОБЩАЯ 2АРАКГЕБЮТКА РАБОТЫ Актуальность темы» Одним из важнейших аспектов развития лесной, целлюлозно-бумажной и деревообрабатывающей промышленности является внедрение малоотходных и безотходных технологических процессов, предусматривающих комплексное использование биомассы заготавливаемых деревьев и существенно снижающих вредное воздействие на окружающую среду.

Известно, что одним из основных видов отходов деревообработки являются отхода окорки. Болыпая часть этих отходов не используются и вывозится в отвалы, это приводит к ухудаанию экологической обстановки, безвозвратным экономическим затратил на транспортировку и содержание нороотвалов. Поэтому, наряду с переработкой вновь образующихся отходов окорки, проблема ликвидации имеющихся короотвалов требует неотложного решения.

Наиболее целесообразным направлением переработки коры из отвалов представляется использование ее в качестве основы для органических удобрений короношгостов. Поскольку отхода окорки в короотвалах характеризуются повышенным содержанием различного рода примесей, то основной технологической операцией процесса подготовки коры к утилизации является сортирование, проводимое с целью очистки коры от примесей, наличие которых Недопустимо по условиям компостирования и внесения удобрений в почву.

Однако, анализ опыта эксплуатации различных сортировочных устройств показал, что в настоящее время не существует высокоэффективных устройств ядя сортирования отходов окорки из короотвалов. Применение дисковых сортировок и сортировочных рольгангов, из-за специфических свойств перерабатываемого материала, не отвечает требованиям по производительности и качеству выходных продуктов. Поэтому, исследования, направленные на повышение эффективности сортирования отходов окорки из короотвалов, являются актуальными и своевременными.

Цель работы. Повышение эффективности сортирования отходов окорки при переработке на коровне компоста путем выбора и обоснования конструктивных и технологических параметров сортировочного устройства.

Научная новизна. Разработай новый способ очистки коры от примесей и форма рабочих органов валкового сортировочного устройства; разработана методика оценки предполагаемого качества продуктов сортирования; определены значения коэффициентов в регрессионной зависимости выходных характеристик процесса от основных параметров валкового сортировочного устройства ВСУ.

Практическая значимость. Полученные математические модели процесса разделения отходов окорки на ВСУ, а также алгоритм определения качества выходных продуктов сортирования, рекомендуются к использованию в НИИ и на предприятиях: отрасли при проектировании и эксплуатации аналогичных устройств. Разработанные рекомендации позволят повысить ¡эффективность подготовки к утилизации отходов окорки из многолетних короотвалов.

Реализация работы. Основные результаты исследований процессов сортирования отходов окорки на ВСУ приняты к использованию ВШСБумпршом при разработке технологических процессов утилизации отходов окорки.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на научно-практических конференциях в Братском индустриальной институте в 1988-1989 г., в Архангельском лесотехническом институте в 1989 г., в ЯТА им. С.М.Кирова в 1988-1990 годах.

Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано три печатных работы.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти разделов, выводов и рекомендаций, списка литературы и приложений. Основное содеркание диссертации изложено на /3О страницах машинописного текста, включающих /4" таблиц и 32 рисунков. Список литературы содержит наименований.

. СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность теш диссертации, сформулирована цель работы, дана краткая аннотация проведенных исследований и изложены основные научные положения, выносимые на защиту.

В первом раздела рассмотрено состоянии вопроса, сформулированы задачи проводимого исследования, представлены основные свойства коры и классификация отходов окорки, указываются основные направления утилизации отходов окорки, произведен краткий обзор и критический анализ способов и устройств для сортирования отходов окорки.

Анализ литературных источников показал, что состав и свойства отходов окорки изменяются в широком диапазоне в зависимости от порода, вида транспортировки к месту переработки и способа окорки лесоматериалов. Разработана классификация отходов окорки, в основу которой положены два признака: натуральный (породный состав) и производственный (особенности технологии окорки). Предлагаемая классификация предназначена для практического использования: при решении вопросов переработки и дальнейшего применения отходов окорки в народном хозяйстве.

Рассмотрение способов утилизации отходов окорки позволило сделать вывод, что наиболее целесообразным направлением переработки короотвалов представляется производство коровых компостов. Основными технологическими операциями подготовки коры к компостированию являйся сортирование и измельчение. Обзор опыта эксплуатации существующего оборудования, применяемого для разделения отходов окорки показал, что данные сортировочные устройства, по своим конструктивным особенностям, имеют ограниченные возможности.

В связи с этим, поставлены следующие задачи исследований:

- обосновать конструкцию сортировочного устройства, обеспечивающую повшение эффективности очистки отходов окорки повышенной влажности и с большим содержанием примесей;

- установить влияние отдельных параметров на выходные характеристики процесса и подучить математические модели процесса сортирования отходов шорки;

- дать рекомендации для выбора основных параметров ВСУ при создании промышленных установок;

- обосновать экономическую эффективность применения ВСУ для разделения отходов окодаз.

Во втором разделе приводится обоснование формы рабо-

•чих органов ВСУ; на основе рассмотрения перемещения частиц отходов окорки по сортирующей поверхности определены значения частоты вращения сортирующих валков, соответствующие эффективному протеканию процесса; разработана вероятностная модель процесса сортирования отходов окорки на ВСУ; представлены выходные характеристики процесса - производительность и точность сортирования.

Анализ априорной информации и теоретические исследования показали, что одним из основных недостатков применяемых устройств является высокая вероятность заклинивания вращающихся сортирующих элементов, которое приводит к снижению производительности и точности сортирования, а иногда и выводу оборудования из строя. Также установлено, что вероятность заклинивания зависит от формы рабочих органов и формы частиц сортируемого материала. Сравнив результаты применения рабочих органов различной формы, в качестве сортирующих элементов были выбраны валки, наружная поверхность которых выполнена в виде выступов треугольной формы. Валки участвуют в процессе попарно. Каждая пара состоит из подающего и выбрасывающего валков. Передние грани выступов по направлению вращения подающих валков длиной 60 мм являются частью касательной линии, передние грани выбрасывающих валков длиной 12 мм являются частью радиальной линии.

На рис. I представлена принципиальная схема валкового сортировочного устройства. Сортирующая поверхность ВСУ состоит из нескольких пар валков, установленных с зазором на параллельные валы, закрепленные на наклонной раме. Зазоры между парами валков перекрыты лотками. Валы вращаются против направления подачи исходного материала. Частота вращения выбрасывающих валков выше частоты подающих.

Принцип работы устройства следующий. Исходная смесь отходов подается по наклонному желобу I на поверхность подающего валка 2 первой сортирующей пары. Подающий (нижний валок) отбирает часть материала и увлекает ее в калибрующий зазор. Частицы мелкой фракции (коры) проходят через зазор и просыпаются на собирающий поддон 5. Те частицы, размеры которых превосходят размеры зазора, удаляются выбрасывающим валком

3 через перекрывающий лоток 4 на следующую пару. После прохода через всю сортирующую

поверхность отсортированные частицы собираются в бункере

3'

для примесей 6

Специфика процесса разделения частиц отходов окорки на ВСУ заключается в том, что вы-

ход продуктов сортирования и их качество зависят от конструктивных параметров рабочих органов, скоростных режимов работы и ряда других факторов,

Рис. I. Принципиальная схема ВСУ

Совокупное действие.' этих факторов определяет характер пе-

ремещения частиц по сортирующей поверхности, которое может состоять из следующих этапов:

- перемещение частиц по поверхности подающего валка в калибрующий зазор;

- движение частицы при взаимодействии с поверхностями подающего и выбрасывающего валков одной сортирующей пары;

- перемещение частицы с одной сортирующей пар! на следующую.

Рассматривая первый этап, было установлено, что нормальное прохождение частиц коры сквозь калибрующий зазор обеспечивается при угловой скорости подающего валка:

где ^ ~ ускорение свободного падения; сС - угол наклона сортирующей поверхности; Л - диаметр валка.

В результате изучения второго и третьего этапов была определена угловая скорость выбрасывающих валков, при которой обеспечивается удаление крупных частиц с плоскости калибрующего зазора:

(I)

1//а>£';Г >

где S - ширина калибрующего зазора.

Пришив работы данного сортировочного устройства предусматривает подачу исходного материала на сортирующую поверхность против направления вращения сортирующих валков. Движение слоя отходов по соргируиаей поверхности происходит под действием силы тяжести* Следовательно, угол наклона принимается не менее значения коэффициента трения скольжения. Значение этого коэффициента зависит от свойств сортируемого материала.

На следующем этапе теоретических исследований определялась аналитическая зависимость выхода продуктов сортирования от величины калибрующего зазора. Процесс сортирования является вероятностным, описать его многообразие полностью представляется весьма сложной задачей, поэтому были введены следующие допущения: исходный материал подается на сортирующую поверхность равномерным слоем; частицы при перемещении в калибрующий зазор № изменяют своего положения относительно оси вращения подающего валка; в качестве определяющего размера частиц принята длина наибольшей диагонали частицы; отсортировываются все частицы, проекции наибольших диагоналей которых на плоскости калибрующего зазора & (рис. 2) пересекают образующую линию КТ выбрасывающего валка.

В результате классификации частиц отходов окорки в зависимости их размеров и размеров калибрующего зазора были определены вероятности отсортирования частиц - частиц первого типа £< S

Р(А)Х =0; я г-г---, (3)

- частиц второго типа

- частиц третьего типа /^VX^+Îfé^+DS/,

M S =<L , (5)

(4)

где - длина валков; X - длина наибольшей диагонали частиц; I - математическое ожидание длины наибольшей диагонали частицы на плоскость калибрующего зазора:

и ¿Г

(7)

Рис. 2. Расчетная схема для определения вероятности отсортирован»* частиц з

Вероятность противоположного события, то есть когда частица просеется через калибрующий зазор

тг-1-т.

С 8)

Выход нижнего продукта сортирования по его массе:

(9)

где Л1.г - масса частиц I -го типа в исходной смеси, И -число сортирующих пар.

Основными показателями процесса являются производительность и точность сортирования. Обе характеристики находятся в определенной зависимости ддуг от друга, и в свою очередь, зависят от ряда факторов, определяющих результаты сортирования,

В данной работе исследовалась производительность по нижнему продукту. Точность сортирования представляет собой количественный показатель процесса, при определении которого

одновременно учитывается качество исходного материала и продуктов сортирования

б «<»

где Л - процентное содержание частиц, подлеяащих выделению в верхний продукт в исходном материале; - содержание примесей в подученном верхнем продукте; р - процентный выход нижнего продукта.

Повышение точности сортирования говорит об увеличении доли коры и примесей соответственно в нижнем и верхнем продуктах, иначе о "чистоте" продуктов сортирования.

В третьем разделе приводится характеристика объекта исследований, дается описание экспериментальной установки, изложены методика и результаты экспериментальных исследований процесса сортирования на ВСУ.

В качестве объекта исследований использовались отходы окорки из многолетнего короотвала Приозерского целлюлозного завода. Предварительными исследованиями установлен примерный состав и размеры примесей в отходах окорки.

Для проведения экспериментальных исследований разработана и смонтирована экспериментальная установка, состояния из двух основных узлов. Узел подачи обеспечивает регулируемую подачу сортируемого материала. Сортирующий узел представляет собой рольганг, состоящий из двух пар валков. Конструкция сортирующего узла позволяет изменять зазор меаду валками, частоту вращения подающих и выбрасывающих валков, угол наклона сортирующей поверхности.

Опираясь на априорные сведения, в качестве математических моделей выходных величин были приняты полиномы второй степени и проведены факторные эксперименты по планам типа Вк, Управляемыми факторами были приняты:

- для исследования производительности: ширина калибрующего зазора (5 , частота вращения подающих валков И-4 , угол наклона сортирующей поверхности ;

- для исследования точности сортирования: ширина калибрующего зазора и интенсивность загрузки сортирующего узла Р .

- II -

Постоянными факторами являлись: влажность и фракционный состав отходов окорки, габаритные размеры валков, частота вращения выбрасывающих валков.

Всего было проведено три комплекса экспериментальных исследований.

В гтврзом комплекса, о целью обоснованного применения методов планирования и статистической обработки результатов опытов проводилась проверка нормальности распределения выходных характеристик процесса Л и 6 по критерию 0Сг-Пирсона. В том же комплексе, на основании серий из 60 опытов для производительности и 80 опытов для точности сортирования, определялось необходимое число дублированных опытов. Результаты обработки данных первого комплекса исследований подтвердили гипотезу о нормальном распределении, количество дублированных опытов было принято равным 4 для производительности и 5 для точности.

Во втором комплексе исследований определялись зависимости выходных характеристик процесса от параметров устройства.

При реализации экспериментов по матрицам планов Вд и получены математические зависимости в виде уравнений регрессии:

- для производительности:

П = - вол + 0,т+- 2,1/9^-0,161 -

- 0,02 5 ■ + 0,05(1^-0,02 п? ; СП)

- для точности сортирования:

5 = 70,¿3-0,422+ 4,33Р -ОЛОР2 : (12)

Проверка адекватности этих уравнений по Р -критерию Фишера подтвердила соответствие полученных моделей исследуемому процессу.

Графическая интерпритация зависимостей (II) и (12) представлена на рис. 3 и 4.

В третьем комплексе для выявления оптимальных параметров ВСУ была проведена параметрическая оптимизация диссоци-

НоУшк &

45 «Г, град

Рис. 3. Влияние параметров устройства на производительность: (а) - частоты вращения подающих валков;

угла наклона сортирующей поверхности: I -- Д = 30 мм; 2 - 5 = 60 мм. ативйо-шаговым методом. В качестве к ритерия оптимальности была принята производительность. Математическая задача сформулирована в виде

(13)

Поскольку обе выходные величины связаны между собой, то на заключительном этапе определялось значение точности сортирования:

£ = / ($опт I Птак) .

(14)

Применение диссоциативно-шагового метода позволило определить оптимальные параметры ВСУ: Л = 60 км; / = 40 град. Пг79»5 об/мин. Точность сортирования при этой составила 72,5%.

В четвертом разделе Обоснован выбор имитационного моделирования в качестве метода оценки точности сортирования отходов окорки при изменении геометрических размеров и количества

сортирующих элементов. В основу математической модели процесса бнля положена вероятностная модель сортирования.

При моделировании сортирования определялась вероятность

отсортирования частиц в зависимости от размеров наибольших диагоналей, которые разыгрывались по соответствующему закону распределения как случайные величины о применением генераторов случайных чисел. Расчет объема частиц коры и примесей производился по формуле линейной функции, за аргумент принята наибольшая диагональ, а коэффициенты определялись на основании экспериментальных данных. В соответствии с математической моделью процесса сортирования отходов окорки на ВСУ разработан моделирующий алгоритм. Эксперимент носил активный характер и проводился по плану типа Вк.

В результате обработки данных имитационного эксперимента

Щ8 /3,5 /42 /8,9 Р, т/ч Рис. 4. Влиянии интенсивности загрузки на точность сортирования: I - при Л = =30 мм; 2 - при £ =

=60 мм

была подучена регрессионная зависимость точности сортирования от длины оСе и Диаметра

пар.

Ъ валков, и количества сортирующих

£ = <&9 03 - 12.1, ЮВ -378,Эй -21,46 П +

* 300,7& ■ Хе* +3,756 пг -264,36 -В-Хе. (15)

Проверка адекватности имитационной модели реальному процессу проводилась путем постановки натурного эксперимента.

На рис. 5 приведены графические зависимости точности

Рис. 5. Влияние размеров валков На точность сортирования: Ï,I -

- е = /#/). 2,2'- £ = при ÏL =3,4 (соответственно).

сортирования от размеров сортирующих элементов. Установлено, что увеличение ширины сортирующей поверхности свыше 0,5 м, при постоянном калибрующем зазоре, снижает точность сортирования незначительно.

В пятом разделе произведен расчет экономической эффективности применения ВСУпри подготовке отходов окорки из многолетних короотвалов к переработке на корокомпосты. На основании данных расчетов сделан вывод о том, что применение устройства позволит снизить затраты на переработку I г отходов окорки на 0,1 руб.

В приложениях к диссертации приведена статистическая информация о результатах экспериментальных исследований и рекомендации по разработке промышленных устройств.

ОСНОВНЫЕ вывода И РЕКОМЕНДАЦИИ

1. На основании теоретических и экспериментальных исследований разработано валковое сортировочное устройство, отличие которого от существующих состоит в некоторых конструктивных особенностях. Исследованиями установлена эффективность применения данного устройства для сортирования отходов окорки из многолетних короотвалов.

2. Для определения скоростных режимов работы ВСУ, соответствующих наилучшему протеканию процесса сортирования, рекомендуется использовать аналитические зависимости (I) и (2).

3. Теоретический анализ процесса разделения отходов окорки на ВСУ показал, что этот процесс носит вероятностный характер. Разработаны вероятностная и имитационная модели процесса, рекомендуемые для прогнозирования выхода и состава продуктов сортирования в зависимости от ширины калибрующего зазора, размеров рабочих органов и длины сортирующей поверхности.

4. Экспериментальная проверка подтвердила справедливость результатов теоретических исследований.

5. В результате экспериментальных исследований процесса сортирования отходов окорки установлено, что основными факторами, влияющими на выходные характеристики процесса, являются ширина калибрующего зазора, частота вращения подающих валков, угол наклона сортирующей поверхности и интенсивность загрузки сортировочного узла,

6. Получены регрессионные зависимости II, 12, 15, адекватно характеризующие влияние основных параметров ВСУ на выходные характеристики процесса. Данные зависимости рекомендуется использовать при обосновании целесообразности применения устройства и конкретных производственных условиях.

7. Применение диссоциативно-шагового метода оптимизации позволило определить оптимальные параметры устройства $ =

= 60 мм, » 79,5 об/мин. ( (¿1 = 8,32 с"1), I = 40 град, позволяющие достич производительности 66,1 т на 1м ширины сортирующей поверхности, точность сортирования при этом составила 72,5$.

8. Разработаны рекомендации для определения основных параметров валковых сортировочных устройств. Использование предложенных рекомендаций даст возможность разработать и эксплуатировать различные первдвижвые и стационарные устройства валкового типа для подготовки отходов окорки к утилизации.

9. Применение ВСУ приведет к скорейшему решению проблемы утилизации отходов окорки иэ короотвалов лесоперерабатывающих предприятий, будет способствовать улучшению состояния окружающей среды, а также обеспечению агропромышленных предприятий и садово-парковых хозяйств ценными, экологически чистыми удобрениями.

-16 -

Основное содержание диссертации опубликовано в работах:

1. Экспериментальные исследования процесса сортирования отходов окорки. В информ. сб. "Лесоэксплуатация и лесосплав", вып. 4. - М., ВНИШЭИласпрсм, 1989. - с. 4-5. (В соавторе гае).

2. Переработка содержимого короотвалов в ЛЗП на короком-посты.//Тезисы докладов'научно-технической конференции. - Архангельск, АШГИ, 1989. - с.8. (В соавторстве).

3. Классификация отходов окорки. В шформ. сб. "Лесоэксплуатация и лесосплав", вып. 9. - М., ВШГИЭИлеспром, 1990.

- c.IO-II.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах с заверенными подписями просим направлять по адресу: I940I8, Ленинград, Институтский пер,, 5, Лесотехническая академия имени С.М.Кирова, Специализированный совет.

Подписнво в печать с оригинал макета 20.11.90.

Формат 60x90 I/I6. Бумага оберточная. Печать офсетная.Изд.№64.

Уч.-изд.л. 1,0. Печ.л. 1,0. Тираж 100 экз.

Заказ * 173. Бесплатно.

Редакционно-издательский отдел ЛТА.

Подразделение оперативной полиграфии ЛТА. I940I8. Ленинград, Институтский пер., 3.