автореферат диссертации по технологии, машинам и оборудованию лесозаготовок, лесного хозяйства, деревопереработки и химической переработки биомассы дерева, 05.21.01, диссертация на тему:Совершенствование основных и вспомогательных технологических операций переработки древесины на щепу в дисковых рубительных машинах

На правах рукописи

ДОСПЕХОВА Наталья Анатольевна

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ОСНОВНЫХ И ВСПОМОГАТЕЛЬНЫХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ОПЕРАЦИЙ ПЕРЕРАБОТКИ ДРЕВЕСИНЫ НА ЩЕПУ В ДИСКОВЫХ РУБИТЕЛЬНЫХ МАШИНАХ

05.21.01 Технология и машины лесозаготовок и лесного хозяйства

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Петрозаводск - 2015

005570355

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

Научный руководитель: Колесников Геннадий Николаевич,

доктор технических наук, профессор

Официальные оппоненты: Фокин Сергей Владимирович,

доктор технических наук, доцент, заведующий кафедрой «Лесное хозяйство и лесомелиорация», федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Саратовский государственный аграрный университет имени Н.И. Вавилова»

Куницкая Ольга Анатольевна,

кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры технологии лесозаготовительных производств, федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный лесотехнический университет имени С.М. Кирова»

Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московский государственный университет леса»

Защита состоится «29» мая 2015 г. в 11:00 на заседании диссертационного совета Д 212.190.03 на базе Петрозаводского государственного университета по адресу: 185910, г. Петрозаводск, пр. Ленина, 33.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Петрозаводского государственного университета и на сайте http://www.petrsu.ru/

Автореферат разослан 2015 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Р. В. Воронов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Диссертация содержит материалы исследования комплекса технологических операций, к которым отнесены: очистка древесины от коры, измельчение на щепу и межоперационная транспортировка круглых лесоматериалов, совмещенная с их автоматической сортировкой по длине. Все разделы диссертации логически связаны идеей рационального использования древесного сырья.

Актуальность темы исследования. Развитие технологий и машин лесозаготовок и лесного хозяйства создает условия, в которых измельчение древесины на щепу и смежные технологические операции могут выполняться с применением как стационарных установок, так и мобильных комплексов в подразделениях лесозаготовительных предприятий. Например, известны мобильные комплексы, позволяющие окорять деревья и измельчать их в технологическую щепу с содержанием коры до 1%, в которых для измельчения используется дисковая рубительная машина (рис. 1). Опыт эксплуатации таких комплексов в производстве щепы имеется на Соломбальском и Енисейском ЦБК [ЛесПромИнформ. 2009. № 4].

Рис. 1. Окорочно-рубительный комплекс Peterson 5000Н [ЛесПромИнформ. 2009. №4 (62)]

К настоящему времени накоплен в существенно большей мере (по сравнению с мобильными комплексами) опыт применения для производства щепы стационарных машин и оборудования. Однако, как для мобильного, так и для стационарного оборудования остается недостаточно изученной задача о влиянии на крупность щепы особенностей взаимодействия измельчаемых лесоматериалов и загрузочного устройства дисковой рубительной машины. Важность данной задачи определена требованиями ГОСТ 15815-83, согласно которым массовая доля частиц некондиционной крупности в технологической щепе не должна превышать 3 %, чтобы избежать непроваров при получении целлюлозы. В другом случае, для топливной щепы, не существует столь жестких ограничений на массовую долю коры. Однако однородность топливной щепы по критерию крупности, очевидно,

важна для повышения эффективности сжигания в установках с автоматической подачей топлива. Существующие машины не всегда обеспечивают требуемое качество щепы по критерию крупности. По этой причине задача совершенствования технологической операции измельчения древесины на щепу является актуальной.

Совершенствование указанной технологической операции невозможно выполнить в отрыве от предшествующей (очистка от коры, если таковая необходима) и, соответственно, межоперационной транспортировки перерабатываемых круглых лесоматериалов от окорочного барабана к загрузочному устройству рубительной машины. Анализ литературы показал, что к числу недостаточно изученных и актуальных задач относится теоретическое обоснование закономерности, отражающей влияние соотношения диаметров балансов на степень их окорки (известны лишь эмпирические данные А.Н. Коршунова о нелинейном характере данной зависимости).

Очистка древесины от коры в установках барабанного типа и измельчение древесины в дисковых рубительных машинах могут быть отнесены к основным технологическим операциям производства щепы. На окорку и измельчение, в соответствии с технологическими требованиями, должны поступать лесоматериалы определенной длины. Поэтому логически необходимо рассмотрение в диссертационной работе межоперационной транспортировки круглых лесоматериалов и их сортировки по длине. Эти две вспомогательные технологические операции описаны в литературе. Однако эффективность автоматической сортировки круглых лесоматериалов по длине, которая на практике совмещается с их транспортировкой по рольгангу, остается в настоящее время недостаточно высокой. В связи с чем требуется дополнительная сортировка с применением ручного труда. Таким образом, интенсификация автоматической сортировки круглых лесоматериалов по длине при их транспортировке по рольгангу является актуальной задачей.

С учетом изложенного выше следует, что является актуальным совершенствование комплекса основных и вспомогательных технологических операций, к которым отнесены: очистка древесины от коры в установках барабанного типа и измельчение древесины в дисковых рубительных машинах, а также межоперационная транспортировка круглых лесоматериалов и их автоматическая сортировка по длине.

Степень разработанности темы исследования. Анализ публикаций показал, что в настоящее время очистка древесины в корообдирочных барабанах, развиваясь параллельно с роторной и другими технологиями окорки, все же остаётся доминирующей. Значительные объемы как технологической, так и топливной щепы производятся путем измельчения древесины в дисковых рубительных машинах. И хотя современные технические и технологические решения способствуют прогрессу в области рационального использования древесного сырья, проблема повышения эффективности использования машин и совершенствования комплекса технологических операций, непосредственно связанных с измельчением древесины с учетом современных требований ресурсосбережения сохраняет свою акту-

альность. Данное обстоятельство мотивировало выбор темы диссертационного исследования.

Результаты исследований и современные проблемы, существующие в данной области, представлены, например, в статьях журнала «ЛесПромИнформ», 2013, №№ 3-7 (И.В. Григорьев и др.). Опыт финских коллег в данной области обобщил в своей работе А. Isokangas [http://jultika.oulu.fi/Record/isbn978-951-42-6261-6]. В диссертации приняты во внимание также результаты исследований технологий лесопромышленного комплекса, опубликованные в журналах, издаваемых Московским государственным университетом леса, Воронежской лесотехнической академией, Северным (Арктическим) федеральным университетом, Уральским государственным лесотехническим университетом, Братским государственным университетом и другими учреждениями. Анализ указанных публикаций показал, что для обоснования рекомендаций по совершенствованию технологической операции очистки древесины от коры в установках барабанного типа необходимо дальнейшее изучение закономерностей соударений балансов неодинакового диаметра и анализ геометрических аспектов их контактного взаимодействия.

Очистка древесины от коры необходима для получения технологической щепы, используемой в качестве сырья для выпуска целлюлозы. Чтобы обеспечить эффективное использование оборудования и требуемое качество целлюлозы, щепа должна соответствовать установленным стандартом геометрическим ограничениям на линейные и угловые размеры частиц, т.е. на их форму и крупность. Форма и крупность частиц щепы зависят как от особенностей конструкции используемой рубительной машины, так и от характеристик измельчаемой древесины. Анализ литературы показал, что в этой связи недостаточно изученным остался вопрос о влиянии на размеры частиц щепы изменения длины измельчаемого баланса. Так, например, в работе1 выполнен анализ влияния длины баланса на крупность частиц щепы, однако при его проведении было использовано приближенное решение, в связи с чем требуется дальнейшее изучение данного вопроса.

Две указанные выше основные технологические операции - очистка от коры и измельчение древесины в рубительной машине - взаимосвязаны друг с другом и предполагают межоперационную транспортировку древесного сырья как предмета труда с выхода корообдирочного барабана на вход рубительной машины, т.е. к её загрузочному устройству. Результаты промышленной эксплуатации оборудования, а также научные исследования, показали, что существующее ныне оборудование не в полной мере соответствует требованиям ресурсосбережения. По этой причине задача его совершенствования требует продолжения исследований.

Цель работы сформулирована с учетом степени разработанности темы: обоснование рекомендаций по совершенствованию технологических операций переработки круглых лесоматериалов путем уточнения и использования закономерностей функционирования оборудования для окорки, дисковых рубительных машин

1 Васильев С.Б., Девятникова Л.А., Колесников Г.Н., Симонова И.В. Технологические решения для реализации потенциала ресурсосбережения при переработке круглых лесоматериалов на щепу // Петрозаводск, 2013. 92 с.

и межоперационной транспортировки балансов, ориентированных на повышение эффективности использования древесного сырья.

Задачи, решение которых необходимо для достижения цели:

1) Разработка геометрической модели контактного взаимодействия балансов в процессе их очистки от коры в корообдирочном барабане;

2) Исследование влияния соотношения диаметров в группе балансов на степень их окорки в установке барабанного типа;

3) Исследование зависимости формы и крупности щепы от геометрических характеристик загрузочного устройства и измельчаемого баланса с учетом непрерывного изменения его длины в процессе измельчения;

4) Исследование возможностей совершенствования межоперационной транспортировки балансов, совмещенной с их сортировкой по длине.

Критерию научной новизны результатов диссертации отвечают:

1) Методика и результаты геометрического моделирования области контактного взаимодействия балансов в процессе их очистки от коры в корообдирочном барабане;

2) Теоретическое обоснование закономерности: при окорке в установке барабанного типа группы балансов неодинакового диаметра степень очистки боковой поверхности баланса от коры возрастает (убывает) пропорционально квадрату уменьшения (увеличения) диаметра баланса;

3) Теоретическое обоснование закономерности: с уменьшением длины баланса в процессе его измельчения в дисковой рубительной машине крупность частиц щепы возрастает, а угол скоса уменьшается.

4) Обоснование нового технического решения секции рольганга для межоперационной транспортировки балансов, совмещенной с их автоматической сортировкой по длине. Новизна решения подтверждена патентом РФ на полезную мо-дель№ 134521, опубликовано 20.11.2013.

Теоретическая и практическая значимость работы:

1) Разработана методика моделирования поверхностей контактного взаимодействия балансов в корообдирочном барабане, отличающаяся возможностью визуализации трехмерных моделей повреждений балансов при их соударениях. Методика способствуют более точному пониманию причин появления отходов древесины при окорке в установках барабанного типа;

2) Теоретически установлено, что при одной и той же продолжительности окорки группы балансов неодинакового диаметра степень очистки боковой поверхности баланса от коры возрастает (убывает) пропорционально квадрату уменьшения (увеличения) диаметра баланса. Учет данной закономерности необходим для обоснования рекомендаций по совершенствованию технологии окорки;

3) Исследована закономерность изменения крупности и формы частиц щепы при непрерывном уменьшении длины баланса в процессе его измельчения в дисковой рубительной машине. Разработана уточненная методика расчета, отличающаяся тем, что учтено не только поступательное (линейное) перемещение баланса

в загрузочном устройстве рубительной машины, но также угловое перемещение продольной и поперечной осей баланса в вертикальной плоскости. Применение данной методики позволяет уточнить рекомендации по совершенствованию загрузочного устройства дисковой рубительной машины;

4) По результатам исследования оборудования для межоперационной транспортировки древесного сырья предложено новое техническое решение секции рольганга, отличающееся тем, что часть роликов имеет полигональную форму поперечного сечения, что приводит к интенсификации автоматической сортировки балансов по длине при их транспортировке.

Работа выполнена в рамках реализации научных мероприятий Программы стратегического развития ПетрГУ на 2012-16 г. и задания Минобрнауки РФ по госбюджетной теме 126-12, проект 7.6185.2011 (рук. проекта проф. Г.Н. Колесников).

Методология и методы исследования базируются на применении опыта теоретических и экспериментальных работ российских и зарубежных исследователей в области рационального использования древесного сырья, совершенствования технологий и машин его переработки. Исследование выполнено с учетом результатов производственного эксперимента по изучению влияния длины балансов на качество щепы. В качестве инструмента исследования использованы стандартные средства современных информационных технологий.

Положения, выносимые на защиту:

1) Методика моделирования поверхности контактного взаимодействия балансов в процессе их соударений в корообдирочном барабане;

2) Обоснование закономерности: при окорке в установке барабанного типа группы балансов неодинакового диаметра степень очистки боковой поверхности баланса от коры возрастает (убывает) пропорционально квадрату уменьшения (увеличения) диаметра баланса. Логически связанная с данной закономерностью рекомендация: загружать в барабан лесоматериалы примерно одного диаметра;

3) Обоснование закономерности: с уменьшением длины баланса в процессе его измельчения в дисковой рубительной машине крупность частиц щепы возрастает, а угол скоса уменьшается. Подтверждение логически связанных с данной закономерностью рекомендаций: уменьшать долю короткомеров в потоке балансов и увеличивать длину измельчаемых лесоматериалов (если это технологически допустимо);

4) Обоснование нового технического решения секции рольганга для межоперационной транспортировки балансов, совмещенной с их автоматической сортировкой по длине (патент РФ на полезную модель № 134521).

Степень достоверности результатов подтверждена их непротиворечивостью и согласованностью с известными по литературе теоретическими и экспериментальными данными, а также лабораторными исследованиями и апробацией в рамках производственного эксперимента.

Апробация результатов выполнена в докладах на межфакультетских семинарах в ПетрГУ (2012 - 2015), на третьей Международной научно-практической конференции «Перспективное развитие науки, техники и технологий» (Курск, 2013), региональной конференции «Ресурсосберегающие технологии, материалы и конструкции» (Петрозаводск, 2014), в статьях по теме диссертации.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 14 работ, из них пять статей в журналах, указанных в списке ВАК.

Структура и объем диссертации. Диссертация содержит введение, пять глав, заключение, список использованной литературы (112 наименований), два приложения, всего 130 страниц.

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулирована цель и задачи, определены объект, предмет и методы исследования, перечислены основные результаты, научная новизна, практическая значимость работы, представлена структура диссертации.

Первая глава «Анализ публикаций и задачи совершенствования основных и вспомогательных технологических операций переработки древесины на щепу в дисковых рубительных машинах» содержит обзор публикаций и Интернет-ресурсов по теме диссертации. Конкретизированы подходы к решению задач, сформулированных во введении. Научную и методологическую основу исследования составили работы, авторами которых являются: С.П. Бойков, С.Б. Васильев, Н.М. Вальщиков, Ю.Ю. Герасимов, А.О. Германович, М.В. Гомонай, И.В. Григорьев, Ф.И. Коперин, Э.П. Лицман, Б.М. Локштанов, В.А. Макуев, В.Я. Матюнин, В.Д. Никишов, Н.Ф. Пигильдин, Ю.В. Рубцов, B.C. Сюнёв, A.C. Федо-ренчик, C.B. Фокин, В.Я. Шапиро, И.Р. Шегельман, R. Baroth, L.M. Hellström, A. Isokangas, M. Oman и другие авторы.

Вторая глава «Геометрические аспекты соударений балансов в корообдироч-ном барабане» содержит теоретическое обоснование методики и примеры трехмерного моделирования соударений балансов в корообдирочном барабане. Необходимость указанного исследования объясняется тем, что качество очистки и потери древесины зависят, очевидно, как от силы соударений, так и от недостаточно изученных геометрических характеристик пятна контакта.

Целью моделирования является определение формы и размеров поверхности контакта при соударениях балансов. В общем случае необходимо найти все пары контактирующих балансов, затем поочередно рассмотреть каждую из этих пар. В диссертации предложена методика решения частной задачи о поиске одной пары балансов и их соударении (в предположении, что методика может быть использована в специально организованном цикле при анализе соударений большего числа балансов). При этом балансы моделируются прямыми круговыми цилиндрами, корообдирочный барабан - цилиндрической оболочкой с продольными ребрами (рис. 1).

На старте вычислений отбросим заведомо неперспективные на предмет соударения объекты по критерию: расстояние между центрами их тяжести больше длины баланса (уточнения рассмотрены в диссертации). На втором шаге уточняем поиск: зная координаты центров тяжести и направляющие косинусы продольных осей балансов, по формулам аналитической геометрии определим 8 - кратчайшее расстояние между осями балансов. На третьем шаге отбросим все пары балансов, для которых 8 больше половины суммы диаметров балансов (в этом случае нет контакта). На четвертом шаге определим точки на осях балансов, соответствующие расстоянию 8. Балансы соударяются (и кора разрушается), если 8 < 0. Как результат компьютерной реализации методики определена трехмерная область контакта с учетом повреждений древесины (рис. 2). Выводы по главе приведены в

В третьей главе «Влияние диаметра балансов на качество их очистки в коро-обдирочном барабане», в частности, констатируется, что известны соответствующие эмпирические результаты, но нет теоретического обоснования рекомендаций по совершенствованию технологической операции очистки круглых лесоматериалов неодинакового диаметра в мобильных и стационарных установках барабанного типа. В диссертации предпринята попытка восполнить этот пробел, используя

и дополняя теорию С.П. Бойкова2, в которой соударения, с учетом их стохастич-ности, рассматриваются как независимые повторяющиеся испытания по схеме Бернулли. Т.е., используется модель, когда одно и то же испытание (соударение балансов) повторяется многократно и исход каждого испытания независим от исходов других испытаний. При каждом соударении кора частично разрушается. С увеличением числа соударений степень очистки возрастает от нуля до 100%. Пусть S - площадь поверхности баланса, AS - площадь участка, очищенного от коры (после соударений балансов). Степень очистки от коры р определяется как вероятность удара по случайно выбранному участку ДS поверхности S:

Р = Д S/s (1)

Приближение Пуассона для схемы Бернулли позволяет определить вероятность того, что участок AS получит, по меньшей мере, m ударов, т> 1:

р(т > 1) = 1 - е"Я£, (2)

где: Я - интенсивность соударений (среднее их число в единицу времени); t - продолжительность очистки.

Если для очистки от коры необходимо не менее b ударов по участку AS, то, соответственно имеем:

Р(т>Ь) = 1-е-ЯсЕ?=-о1^- (3)

Пример: если А=0,062 (еловые балансы, температура -25°С, частота вращения

Продолжительность очистки [мин]

Рис. 3. Степень очистки в зависимости от времени

Касаясь развития известного подхода [С.П. Бойков], отметим, что в (1) и (2) по умолчанию предполагается, что площадь поверхности соударяющихся балансов Б, а значит и их диаметры, одинаковы (если балансы не различаются по длине). Рассмотрим соударение балансов 1 и 2 одной и той же длины Ь диаметром и

2 Бойков С.П. Теория процессов очистки древесины от коры // Л.: ЛГУ. 1980. 152 с.

02 соответственно. Очевидно, в формуле (1) величина ДБ будет одной и той же для балансов 1 и 2. Площадь поверхности балансов может быть неодинаковой: 5г = 7тОг1 и 52 = 7г02/, (без учета торцов). Согласно (1)

Р1=М/51; р2=Д5/52. (4)

Тогда

Р1/Р2 = = 02/01; р2=ра01/02. (5)

Влияние соотношения диаметров на степень очистки определим коэффициентом к0 = Ох/02:

р2=р1к0. (6) Таким образом, с увеличением диаметра 02 степень очистки баланса линейно уменьшается. Однако в реальных ситуациях с увеличением диаметра баланса степень очистки уменьшается нелинейно. Как отмечено в первой главе диссертации данная нелинейность была обнаружена в экспериментах А.Н. Коршунова [Лес-ПромИнформ. 2013. № 7 (97)].

Указанный выше коэффициент к0 = 01/й2 учитывает влияние только геометрических характеристик балансов. Несоответствие формулы (6) экспериментам А.Н. Коршунова можно объяснить тем, что не приняты во внимание другие характеристики балансов, относящиеся к прикладной механике. Предположим, что такой характеристикой в (2) является интенсивность соударений Я. Влияние только изменений Я на р2 определим с помощью нового коэффициента к^. Тогда, уточняя, взамен (6) запишем:

р2 = р^к0кх. (7)

Чтобы найти кх, воспользуемся результатами работы3 (Приложение А диссертации), в которой с применением численного моделирования показано, что с уменьшением диаметра (а значит и массы) балансов одинаковой длины и плотности количество соударений в единицу времени возрастает почти линейно. Это означает, что с увеличением диаметра 02 интенсивность соударений Я = Я2 в (2) уменьшается:

Ь/Ь = 02/01, я2 = Я! = Я^д. (8)

Искомый коэффициент кл = 01/02, т.е. равен указанному выше коэффициенту к0 = й1/02. Тогда, детализируя (7), запишем:

р2 =р1/Со^я = р1(01/02)2. (9)

Увеличение диаметра бачанса 02вкраз уменьшает степень очистки в к2 раз.

Правомерность учета влияния изменений Я на р2 с помощью коэффициента к^ можно обосновать также следующим образом. Воспользуемся отрезком ряда Тейлора для экспоненты в (2): е~х = 1 — + ~ — ~ 1 — х- Принимая х = Яг£ и х = Я2£, выражения вида (2), соответственно р1(т > 1) и р2{т > 1), аппроксимируем соотношениями:

р1(т>1) = 1-е"л^«Я1Г; р2(т > 1) = 1 - ~ Я2С. (10)

3 Васильев С.Б., Доспехова Н.А., Колесников Г.Н. Численное моделирование взаимодействия еловых балансов неодинакового диаметра в корообдирочном барабане // Resources and Technology. 2013. Т. 10. № 1. С. 24-38.

Таким образом, Ра/Рг = /Я2, что с учетом (7) и (8) приводит к (9).

Подчеркнем: рассмотрены только качественные характеристики (закономерности) технологического процесса, а именно, показано, что, изменение степени очистки от коры пропорционально квадрату изменения диаметра.

Оценим адекватность методики и достоверность результатов расчетов.

В (4) не учтена площадь торцов, участвующих в соударениях (рис. 2), что завышает оценку степени очистки от коры. Однако доля площади торцов в общей площади поверхности баланса невелика и убывает с увеличением его длины. Заметим также, что на процесс очистки от коры влияет множество других факторов, точный учет которых затруднен или технически невозможен. Поэтому для проверки адекватности теоретически обоснованной закономерности (9) воспользуемся указанными выше экспериментальными данными А.Н. Коршунова. Эти данные, представленные в графической форме, с достаточной точностью аппроксимируются полиномом второй степени (рис. 4), что подтверждает адекватность установленной закономерности (9): при одной и той же продолжительности технологического процесса степень очистки от коры уменьшается с увеличением диаметра балансов. Изменение степени очистки пропорционально квадрату изменения диаметра.

& 100 I 80

зс

Ь

О

5 60

х

Н

и

? 40

1 1,5 2 2,5 3

Относительный диаметр баланса <^=0/0Ш Рис. 4. Влияние диаметра баланса на качество (степень) окорки. Э10 = 10 см

Четвертая глава «Уточненная модель влияния длины баланса, измельчаемого в дисковой рубительной машине, на размеры частиц древесной щепы» содержит обоснование модели, сравнение с известной методикой и выводы по главе. В известных схемах образования частиц щепы принято, что угол наклона продольной оси баланса при его измельчении не изменяется, оставаясь равным а0 - углу наклона продольной оси загрузочного устройства рубительной машины к плоскости вращения ножевого диска (рис. 5). Однако длина баланса при его измельчении непрерывно уменьшается, поэтому угол наклона его оси уменьшается на величину (3 (рис. 5).

Если диаметр баланса d равен поперечному размеру D загрузочного устройства, то 3 = 0. Однако, чтобы избежать заклинивания, установлено технологическое ограничение D > d. Тогда по мере измельчения баланса его длина 1 и угол а уменьшаются (рис. 5), а длина частиц щепы (-£щ) увеличивается (рис. 5 и 6):

=/i/sin а; а = а0~р. (11)

Конструкция рассматриваемой рубительной машины такова, что угол /? может принимать значения 0...аг0. Если /? = а0, то а = 0. Это означает, что продольная ось баланса параллельна плоскости вращения ножевого диска, т.е. имеет место скалывание древесины вдоль волокон. Формально возможный случай -> со при а -» 0 на практике не реализуется, поскольку длина частицы щепы (11) не может быть больше длины баланса (рис. 5).

Влияние длины баланса на крупность частиц щепы рассматривалось и другими авторами, что отмечено в первой главе работы. В диссертации предложено новое (уточненное) решение, в котором учитывается поворот как продольной, так и поперечной оси баланса на указанный выше угол /?. Запишем (рис. 5):

D = (с + d)cos /?; sin (3 = с cosf] /{ = (D - d cos (3)/{. (12)

Задавая O, d, £ и численно решая уравнение sin [i = (D — d cos (!)/£ найдем Р. Затем определим а и длину частицы (11).

Результаты вычислений по предлагаемой методике отличаются, по сравнению с известной, тем больше, чем меньше длина и диаметр баланса, что показано в таблице 1.

Таблица 1. Приближенные значения /? как доли уточненных значений

Номер строки В, м Диаметр баланса, м Длина баланса в процессе измельчения в рубительной машине, м:

1,2 1 0,8 0,6 0,4 0,2

Приближенное значение угла /?, в процентах от уточненного значения:

1 0,6 0,36 98,3% 97,1% 95,4% 92,4% 83,9%

2 0,6 0,24 95,4% 93,8% 90,7% 83,9% 65,4%

3 0,6 0,12 92,4% 89,3% 83,9% 72,8%

4 0,5 0,36 99,3% 99,6% 98,3% 97,3% 94,1% 78,8%

5 0,5 0,24 97,8% 96,5% 94,8% 91,2% 81,5%

6 0,5 0Д2 95,0% 93,3% 88,8% 82,3% 60,6%

7 0,4 0,36 100,5% 99,6% 98,7% 100,4% 100,2% 98,3%

8 0,4 0,24 98,6% 98,8% 98,3% 96,3% 92,4% 72,8%

9 0,4 0,12 97,3% 96,0% 94,1% 90,0% 78,8%

Достоверность представленных результатов подтверждается их согласованностью с известными экспериментами4, в которых измерения линейных и угловых размеров частиц щепы показали, что при измельчении торцевой части баланса (т.е. короткомера) длина частицы равна примерно 7 см, что в 3,5 раза больше стандартной длины, равной 2 см (рис. 7). Угол скоса данной частицы щепы около 14° (по ГОСТ 15815-83 требуется 39° - 43°). Согласно требованиям стандарта массовая доля таких частиц в технологической щепе не должна превышать 3 %, чтобы избежать непроваров при получении целлюлозы.

Рис. 7. Частицы, полученные в рубительной машине. В центре рисунка видна частица, полученная при измельчении торцевой части баланса [автор фото: Л.А. Девятникова, 2012].

Дальнейшие исследования могут быть связаны с совершенствованием загрузочного устройства рубительной машины, в котором измельчаемый баланс со-

Васильев С.Б., Девятникова Л.А., Колесников Г.Н. Влияние изменения длины баланса, измельчаемого в дисковой рубительной машине, на размеры частиц древесной щепы // Политематический сетевой электронный научный журнал Кубанского государственного аграрного университета. 2012. № 81. С. 270-279.

вершал бы только поступательное перемещение. Тем самым будет исключена одна из причин появления щепы некондиционной крупности.

В пятой главе рассмотрена межоперационная транспортировка и автоматическая сортировка балансов по длине с использованием рольганга. В известных рольгангах все ролики имеют почти цилиндрическую форму. В диссертации предложено техническое решение секции рольганга, которое отличается тем, что часть роликов выполнена в форме призм. Тем самым за счет создания динамических воздействия на транспортируемые балансы достигается интенсификация автоматической отбраковки короткомеров. Схема секции рольганга показана на рис. 8.

Указанная секция включает в себя стартовый 1 и финишный 2 участки, снабженные роликами 3 в форме призм. Ролики приводятся в синфазное вращение электродвигателями с передаточными механизмами, например, в виде роликовых цепей. Ролики 3 предназначены для транспортировки лесоматериалов 4 и 5. В проем между участками 1 и 2 проваливаются под действием собственного веса короткомеры 5. Балансы кондиционной длины 4 не проваливаются в указанные проёмы, так как размер проёма по направлению перемещения меньше половины длины баланса 4.

В диссертации рассмотрены характеристики движения баланса, транспортируемого по рольгангу с квадратным поперечным сечением ролика, вращающегося вокруг неподвижной оси, проходящей через точку 0 (рис. 9).

Рис. 8. Схема секции рольганга

Рис. 9. Перемещение точки т по дуге атЪ

На старте транспортируемый баланс контактирует с точками а и Ь. Далее с балансом контактирует точка а, если 0 < /? < а0. Значение ад определяется формой поперечного сечения; для квадрата а0 = 90°. Предполагается, что при перемещении по дуге amb точка а неразрывно связана с поверхностью баланса. Тогда синхронное вращение всех роликов трансформируется в поступательное движение баланса к проему между участками 1 и 2. Поэтому, чтобы получить характеристики движения баланса, достаточно рассмотреть движение точки а по дуге amb. Если угловая скорость вращения роликов а> от времени t не зависит, то Р = озt. Тогда:

0 < wt < а0, или 0 < t < Т , Т = а0/ш. (13)

Горизонтальное перемещение данной точки x(t) = ас — пс = ас — тпк:

x(t) = R (sin^ - sin - úitfj. (14)

Вертикальное перемещение y(t) = mn = кс = Ок — Ос:

y(t)=fí(cos(f-ojt)-cosf). (15)

Проекции скорости и ускорения:

Vx(t) = ^ = Rcos (~f + a>t)u, Vy(t)=% = Rsin +

ax(t) = ^ = Rsin + wt) id2, ay(t) = ^ = -Reos + oit) a>2. (16) В пределе, при a0 = 0, взамен многоугольника получим окружность. Тогда Р = ü)t и по формулам (15) и (16) получим известные из курса физики значения: y(t) = 0; Vx = Reo; Vy = 0;ax = Q; \ay\ = Roí2.

Необходимо учитывать ограничение 0 < t < T (13). Горизонтальное перемещение получается суммированием значений x(t), вычисленных при t = Т по (14) с учетом целого числа циклов и остатка от деления t/T.

Появляющиеся при горизонтальных и вертикальных ускорениях силы вызывают «встряхивание» массива балансов, транспортируемых по рольгангу. Тем самым интенсифицируется автоматическая их сортировка по длине.

На нижеследующем рис. 10 приведены графики x(t) для круглого (0,534) и квадратного (0,481) сечений роликов при одном и том же R = 0,085 м. Среднее значение скорости в первом и втором случаях равно, соответственно, 0,534 м/с и 0,481 м/с. Уменьшение скорости (и 10%) может быть компенсировано увеличением радиуса R (рис. 9). Графики на рис. 11 - 15 - для роликов квадратного сечения.

Q« <U>

ш

OÍS

Л

/ J \/ \ 1

1 к- V V

аю аю обо аю

0.00 ад» 0.« 0.60 Г| V) 1.Ю г'с г.е

Рис. 10. Горизонтальное перемещение баланса Рис. 11. Вертикальное перемещение баланса

т^Мгт Л Л \ X

\

' г \

С4Э

Г.. u: С.т? СД> -С 41

V 14 - \ - | •

\ 1 %

И И 1 4i ! V

О: л CU) Q4J CJO QJO LCJD /.с

Рис. 12. Горизонтальная скорость баланса

0.x СТО 0.4D С» С SO LX t.t

Рис. 13. Вертикальная скорость баланса

ттт

со 0Д1 С-Г QW 0Д> 1'Ч

О.Х СД> 0« C.W СИ IX

Рис. 14. Горизонтальное ускорение баланса Рис. 15. Вертикальное ускорение баланса

Заключение

Итоги:

1. Анализ литературы и Интернет-ресурсов, представленный в первой главе диссертации, подтвердил актуальность темы и цели исследования. Определены перечисленные выше задачи, решение которых необходимо для достижения цели исследования с учетом их практической значимости и недостаточной разработанности в настоящее время.

2. Исследованы геометрические аспекты контактного взаимодействия балансов в процессе их очистки от коры в корообдирочном барабане, разработана методика расчета, реализованная на языке программирования AutoLISP в среде Auto-CAD. Тем самым создан новый инструмент анализа геометрических аспектов контактного взаимодействия балансов, который, как показало решение тестовых задач, может быть рекомендован для уточнения закономерностей появления потерь древесины при окорке.

3. Исследована закономерность влияния диаметра балансов на качество их очистки от коры. Теоретически установлено и экспериментами других авторов подтверждено, что при одной и той же продолжительности технологического процесса окорки степень очистки от коры уменьшается с увеличением диаметра балансов. Обоснована зависимость, определяющая, что изменение степени очистки от коры пропорционально квадрату изменения диаметра.

4. Исследована теоретически и экспериментально подтверждена закономерность увеличения крупности щепы при непрерывном уменьшении длины баланса в процессе его измельчения в дисковой рубительной машине с гравитационной загрузкой. Разработана уточненная методика расчета, отличающаяся тем, что учтено не только поступательное перемещение баланса в загрузочном устройстве рубительной машины, но также угловое перемещение продольной и поперечной осей баланса в вертикальной плоскости.

5. Исследована возможность совершенствования оборудования для межоперационной транспортировки древесного сырья как предмета труда. Предложено но-

вое техническое решение секции рольганга, обеспечивающее совмещение технологических операций транспортировки балансов и их сортировки по длине, отличающееся тем, что с целью интенсификации сортировки горизонтальное перемещение балансов сопровождается их циклически перемещением в вертикальной плоскости. Получен патент РФ на полезную модель № 134521 (опубликовано 20.11.2013).

Рекомендации:

6. В целях уменьшения потерь древесины при окорке необходимо до загрузки в корообдирочный барабан сортировать балансы по диаметру и загружать в барабан лесоматериалы примерно одного диаметра в группе.

7. В целях повышения однородности щепы по критерию крупности частиц измельченной древесины следует уменьшать долю короткомеров в потоке балансов, транспортируемых к загрузочному устройству рубительной машины. В тех же целях рекомендуется увеличивать длину измельчаемых лесоматериалов (вплоть до переработки деревьев целиком без предварительной раскряжевки).

8. Не производить окорку колотых балансов. Если в соударениях участвуют уже свободные от коры поверхности балансов (прежде всего балансы малого диаметра), то разрушается не кора, а древесина этих балансов. По этой причине известная по литературе рекомендация подвергать очистке в барабане колотые балансы может оказаться неэффективной, поскольку в этом случае в соударениях участвует, и потому разрушается, заведомо свободная от коры поверхность, образовавшаяся при раскалывании баланса. При этом непродуктивно расходуется энергия и другие ресурсы, увеличивается продолжительность окорки, уменьшается производительность оборудования.

Перспективы дальнейшей разработки темы исследования:

9. Теоретическую и практическую значимость могут иметь исследования, ориентированные на оптимизацию конструкции загрузочного устройства дисковой рубительной машины с учетом установленной в диссертации зависимости качества щепы от длины измельчаемых балансов.

Список работ автора по теме диссертации

Статьи в журналах, указанных в перечне ВАК:

1) Марков Б.Г., Марков О.Б., Доспехова H.A. Геометрические аспекты контактного взаимодействия балансов в корообдирочном барабане // Ученые записки Петрозаводского государственного университета. Серия: Естественные и технические науки. 2009. № 11. С. 64-71.

2) Андреев A.A., Доспехова H.A., Копарев B.C. Анализ технологических операций получения древесной щепы // Политематический сетевой электронный научный журнал Кубанского государственного аграрного университета. 2012. № 81. С. 374-389. [Электронный ресурс]. URL: http://elibrary.ru/item.asp?id=l 8038792.

3) Колесников Г.Н., Доспехова H.A. Закономерности соударений и качество очистки балансов неодинакового диаметра в корообдирочном барабане // Фундаментальные исследования. 2013. № 10-15. С. 3328-3331.

4) Васильев С.Б., Девятникова JI.A., Доспехова Н.А., Колесников Г.Н. Интенсификация сортировки транспортируемых рольгангом круглых лесоматериалов по критерию длины при их подготовке к измельчению на щепу // Фундаментальные исследования. 2013. № 10-2. С. 257260.

5) Колесников Г.Н., Девятникова Л.А., Доспехова Н.А., Васильев С.Б. Уточненная модель влияния длины баланса, измельчаемого в дисковой рубительной машине, на размеры частиц древесной щепы // Политематический сетевой электронный научный журнал Кубанского государственного аграрного университета. - Краснодар: КубГАУ, 2015. № 01(105). С. 413-425. [Электронный ресурс]. URL: http://elibrary.ru/item.asp?id=22958453.

Другие публикации'.

6) Доспехова Н.А., Марков О.Б., Марков Б.Г. Геометрическое моделирование контактного взаимодействия балансов в корообдирочном барабане // Resources and Technology. 2010. Т. 8. С. 041-048.

7) Девятникова Л.А., Доспехова Н.А., Никонова Ю.В. Применение численного моделирования в задачах совершенствования технологических процессов переработки круглых лесоматериалов на щепу // В сб.: Перспективное развитие науки, техники и технологий Материалы 3-й Международной научно-практ. Конф.: в 3 томах. Отв. Ред. Горохов А.А.. - Курск, 2013. С. 363365.

8) Доспехова Н.А., Копарев B.C. Повышение эффективности переработки лесоматериалов в измельчаемую древесину технологического назначения // В сборнике: Деревянное малоэтажное домостроение: экономика, архитектура и ресурсосберегающие технологии. Сборник статей по материалам международной научно-практической конференции. Петрозаводский государственный университет. Петрозаводск, 2013. С. 15-19.

9) Васильев С.Б., Доспехова Н.А., Колесников Г.Н. Модуль рольганга с технологической функцией интенсификации выделения короткомеров из потока балансов // Фундаментальные и прикладные исследования: проблемы и результаты. 2013. № 9. С. 145-149.

10) Васильев С.Б., Колесников Г.Н., Девятникова Л.А., Доспехова Н.А. Секция рольганга для сортировки транспортируемых лесоматериалов по длине // Патент РФ на полезную модель № 134521. Опубликовано 20.11.2013.

11) Васильев С.Б., Доспехова Н.А., Колесников Г.Н. Численное моделирование взаимодействия еловых балансов неодинакового диаметра в корообдирочном барабане // Resources and Technology. 2013. Т. 10. № 1. С. 024-038.

12) Никонова Ю.В., Раковская М.И., Доспехова Н.А., Зайцева М.И. Обзор исследований окорки древесины // Resources and Technology. 2014. Т. 11. № 1. С. 11-49.

13) Доспехова Н.А., Зайцева М.И., Никонова Ю.В. Рациональное использование древесного сырья: некоторые новые технические и технологические решения // Современные научные исследования и инновации. 2015. № 1 [Электронный ресурс]. URL: http://web.snauka.ru/issues/2015/01/45494.

14) Доспехова Н.А. О совершенствовании основных и вспомогательных технологических операций переработки древесины на щепу в дисковых рубительных машинах // Современные научные исследования и инновации. 2015. № 2 [Электронный ресурс]. URL: http://web.snauka.ru/issues/2015/02/48889

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 25.03.2015. Формат 60 х 84 Ч . Бумага офсетная. Печать офсетная. Уч.-изд. л. 1,0. Тираж 120 экз. Изд. № 86 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования ПЕТРОЗАВОДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

Отпечатано в типографии Издательства ПетрГУ 185910, г. Петрозаводск, пр. Ленина, 33