автореферат диссертации по технологии, машинам и оборудованию лесозаготовок, лесного хозяйства, деревопереработки и химической переработки биомассы дерева, 05.21.05, диссертация на тему:Технологические основы эффективного использования древесины мягколиственных пород в производстве пилопродукции

Введение.

Глава 1. Состояние вопроса.

1.1. Потребительские свойства древесины мягколиственных пород.

1.2. Ресурсы древесины мягколиственных пород.

1.3. Рынок пилопродукции, вырабатываемой из древесины мягколиственных пород.

1.4. Перспективы потребления древесного сырья мягколиственных пород в отраслях лесного комплекса.

1.5. Обзор ранее выполненных работ по раскрою круглых лесоматериалов мягколиственных пород.

1.6. Технологические схемы переработки мягколиственного сырья, применяемые в промышленности.

1.7. Выводы по главе.

Глава 2. Анализ и обоснование требований к технологии переработки мягколиственного сырья.

2.1. Особенности размерно-качественного состава пиловочного сырья мягколиственных пород.

2.2. Требования к размерам и качеству пилопродукции, вырабатываемой из древесины мягколиственных пород.

2.3. Обоснование структуры технологического процесса производства пиломатериалов на перспективу.

2.4. Информационная оценка технологии переработки мягколиственного сырья и способы снижения неоднородности потоков пиломатериалов и сырья.

2.5. Направления снижения затрат на производство пилопродукции.

2.6. Структура трудоемкости продукции лесопиления.

2.7. Выводы по главе.

Глава 3. Разработка специальной теории раскроя бревен на доски одной толщины.

3.1. Анализ возможных теоретических подходов к раскрою коротких пиловочных бревен.

3.2. Моделирование развального метода раскроя.

3.3. Моделирование развального метода раскроя с последующим делением крайних досок по толщине.

3.4. Моделирование брусоворазвального метода раскроя бревен (первый проход).

3.5. Моделирование брусоворазвального метода раскроя бревен (второй проход).

3.6. Обобщение результатов теоретических исследований.

Глава 4. Экспериментальные исследования раскроя сырья мягколиственных пород на пилопродукцию.

4.1. Основные методические положения, принятые при проведении экспериментальных исследований.

4.2. Определение характеристики пиловочного сырья.

4.3. Опытные распиловки пиловочного сырья на пиломатериалы по ГОСТ 8486-66 и ГОСТ 2695-83.

4.4. Выводы по главе.

Глава 5. Обоснование и разработка систем машин и оборудования для переработки мягколиственного пиловочного сырья.

5.1. Целевая установка и исходные данные для разработки систем машин.

5.2. Техническое наполнение систем машин для модели

5.3. Реализация систем машин для модели 0.

5.4. Выводы по главе.

Выводы.

Проблема эффективного использования древесины мягколиствен-ных пород возникла в России достаточно давно и исторически связана с индустриализацией страны, развитием массовой промышленной переработки древесного сырья и сдвигами в структуре потребления древесины.

В предшествующем периоде, когда древесина была одним из основных конструкционных материалов, различные ее породы находили свое применение для разных целей в промышленности, строительстве и бытовом обиходе [1,2]. Позднее из-за изменения номенклатуры продукции, изготавливаемой из древесины, появления других конструкционных материалов лиственная древесина постепенно вытеснялась из сферы потребления и сейчас она используется, в основном, при выработке целлюлозы и плит, клееной фанеры и производстве пилопродукции.

В общем объеме пиломатериалов, вырабатывавшемся на территории бывшего Союза, а позднее России, основная часть - 82.85% падает на хвойные породы, на мягкие лиственные породы (береза, ольха, осина, липа и др.) приходилось 17. 14% и на твердолиственные (дуб, бук, граб, ясень, ильм) - не более 1%. Это соотношение первоначально соответствовало распределению ресурсов древесины для промышленной переработки по группам пород. С течением времени, в результате систематических перерубов по хвойному хозяйству а также вследствие естественного замещения доля мягких лиственных пород в расчетной лесосеке увеличилась до 40%. В 70-80-х годах задача вовлечения в переработку этой части ресурсов древесного сырья уже стала предметом рассмотрения на всех уровнях управления лесной отраслью. Основные успехи того периода связаны, в основном с развитием мощностей в производстве целлюлозы, а также с применением административных мер и централизованным регулированием цен на сырье мягких лиственных пород и пило-продукцию из него. С переходом к рыночной экономике проблема рациональной переработки сырья мягких лиственных пород, особенно на пилопродукцию, возникла вновь, так как ранее применявшиеся меры не действовали, и было необходимо найти технологические решения, способные обеспечить конкурентоспособность пилопродукции мягких лиственных пород на внутреннем и внешнем рынках, то есть заново определить технологические основы переработки этого вида древесного сырья. Таким образом проблема эффективной переработки мягколиствен-ной древесины на пилопродукцию остается актуальной и сейчас, так как ранее не получила полного, научно обоснованного решения.

Во избежание терминологической путаницы необходимо определить, что входит в понятия "технологические основы" и "мягколиствен-ная древесина". По установившемуся определению технология это "совокупность методов обработки, изготовления, изменения состояния, свойств, формы сырья, материала или полуфабриката, осуществляемых в процессе производства продукции" (БЭС, изд.2, перераб.и дополн. 1997, с. 1200). Под технологическими основами понимается совокупность закономерностей и соотношений, характеризующих внутреннюю структуру производственной системы а также циркулирующие в ней материальные и информационные потоки.

Определение "мягкие лиственные породы" или "мягколиственные породы", применяемое в практике переработки древесного сырья на пилопродукцию, несколько отличается от более строгой классификации пород в науках о лесе и лесных культурах. Дело в том, что разновидности березы занимают некое промежуточное положение между твердоли-ственными и мягколиственными породами. Например, береза каменная по плотности древесины и прочностным характеристикам вплотную примыкает к твердолиственным породам. Другие разновидности березы, особенно при специфичных условиях произрастания, напротив, обнаруживают свойства, близкие к породам, четко классифицируемым как мяг-колиственные. Очевидно, именно по этой причине, а может быть из-за естественного стремления к сокращению терминов, первоначально бытовавшая формулировка "береза и другие мягколиственные породы" постепенно трансформировалась в термин "мягколиственные породы", общепринятый сейчас в лесопильно-деревообрабатывающем производстве. В дальнейшем изложении будет применяться именно эта формула - "мягколиственные породы", хотя, следует признать, она не совсем строга и несвободна от налета производственного вульгаризма.

Цель настоящей работы - исследование, обоснование и определение направлений совершенствования технологии переработки мягко-лиственной древесины на пилопродукцию. Для достижения этой цели следовало решить следующие задачи:

- выполнить научный анализ и определить размерно-качественные требования к пилопродукции, вырабатываемой из мягколиствен-ной древесины;

- исследовать специфику и изменчивость размерно-качественных характеристик мягколиственного пиловочного сырья;

- теоретически исследовать методы раскроя сырья, отвечающие особенностям мягколственной древесины;

- экспериментально исследовать разработанные методы и схемы раскроя;

- обосновать структуру технологического процесса переработки мягколиственного сырья.

Основой для работы послужила созданная в Центральном научно-исследовательском институте механической обработки древесины (ЦНИИМОД) научно-методическая база опытных распиловок для установления нормативов выхода пилопродукции (Г.Г.Титков, Н.А.Попов, Л.З.Лурье, С.И.Малыгин, Е.ПЛебедева, Г.И.Захарьин) и программно-методическая записка по теме №138 «Разработать технологические основы и нормативную базу переработки древесины лиственных пород на пилопродукцию», подготовленная автором для руководства и координации работ по проблеме в масштабах отрасли. При выполнении исследований был использованы средства математического анализа и математического моделирования, для выполнения отдельных задач использовались методики технологического прогнозирования и функционально-стоимостного анализа (ФСА).

Основные научные результаты выполненных исследований заключаются в следующем:

- впервые разработана и предложена научно обоснованная концепция совершенствования технологии производсва пилопродукции из древесины мягколиственных пород;

- разработана и средствами ФСА обоснована структура технологического процесса производства пилопродукции;

- впервые применен информационный подход для обоснования требований к размерам и сортировке пиловочного сырья;

- впервые предложена математическая модель раскроя бревна на пиломатериалы одной толщины;

- научно обоснованы схемы раскроя мягколиственного пиловочного сырья;

- выполнен широкомасштабный эксперимент по установлению нормативов выхода пилопродукции из пиловочного сырья мягко-лиственных пород.

Практическая значимость выполненных исследований заключается в том, что в результате использования научно обоснованных и экспериментально проверенных технологических решений и схем раскроя обеспечивается эффективная переработка мягколиственного пиловочного сырья на пилопродукцию. Результаты теоретических и экспериментальных исследований послужили основой для установления общеотраслевых нормативов выхода продукции и формулирования технологических требований к разработке и созданию оборудования для лесо-пильно-деревообрабатывающих предприятий малой мощности.

На защиту выносятся:

- концепция и структура технологического процесса эффективной переработки пиловочного сырья мягколиственных пород;

- научно-практические методы оптимизации потоков пиловочного сырья и пилопродукции;

- результаты теоретических исследований раскроя коротких бревен на пиломатериалы одной толщины;

- результаты экспериментальных исследований раскроя коротких бревен мягколиственных пород (осина и береза) на пиломатериалы кратных сечений;

- практические рекомендации по схемам раскроя пиловочного сырья мягколиственных пород;

- нормативы расхода сырья (выхода пилопродукции) при переработке бревен мягколиственных пород.

Реализация результатов исследований выразилась в постановке трех научно-исследовательских тем, входивших в государственную и феде ральные целевые программы, разработке инструктивных и нормативно-технических материалов для промышленности, организации изготовления оборудования для предприятий малой мощности.

Основные результаты работы рассматривались на научно-технических советах и технических совещаниях в Минлеспроме СССР и "Минпромнауки России, координационных совещаниях в период с 1980 по 1992 год, научно-практических конференциях в АГТУ (19972001гг.), международных научно-технических конференциях (1999 и 2000 года), совещаниях специализированных кафедр МГУЛ, СПбЛТА и АГТУ.

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 38 печатных работ, в том числе монография, справочник, брошюры и научные статьи. Материалы исследований использованы при подготовке программных, нормативно-технических, руководящих и инструктивных материалов для предприятий отрасли.

Решение проблемы эффективного использования ресурсов мягко-лиственной древесины в производстве пилопродукции имеет значение не только для России. Как показывает анализ зарубежных публикаций вопросы применением и переработкой мягколиственной древесины периодически возникают и странах Европы [119-128], и на североамериканском континенте [102-118]. Отсюда можно сделать вывод о том, что спрос на пилопродукцию из мягколиственной древесину имеет перспективу на внешнем рынке, а потребность в эффективных технологических решениях не будет преходящей.

ВЫВОДЫ

В результате выполнения комплексных исследований достигнута основная цель - научно обоснована и сформулирована концепция совершенствования переработки древесины мягколиственных пород на пилопродукцию. Проведенные исследования распространенности и ресурсов мягколиственной древесины в России, особенностей и размерно-качественных характеристик березового и осинового пиловочного сырья, номенклатуры и размерно-качественных характеристик вырабатываемой из него пилопродукции, выполненные теоретические и экспериментальные исследования позволяют сделать следующие выводы:

1. Россия располагает существенными запасами древесины мягколиственных пород. Промышленное значение имеют две породы - береза и осина, удельный вес которых по отдельным регионам составляет от 9 до 80% расчетной лесосеки. Истощение ресурсов хвойной древесины и экологическое давление из вне страны ставит перед промышленностью задачу более широкого вовлечения мягколиственной древесины в переработку.

2. Ресурсы древесины мягколиственных пород таковы, что в настоящее время и в ближайшей перспективе они не могут быть поглощены всеми лесоперерабатывающими отраслями. Наиболее перспективным потребителем этого сырья является производство пилопродукции.

3. По сравнению с хвойной древесиной мягколиственное пиловочное сырье имеет менее выгодные размерно-качественные характеристики, концентрация этого сырья и его транспортирование на дальние расстояние проблематичны по экономическим соображениям. В то же время по своим эксплуатационным характеристикам мягколиственная древесина в некоторых сферах потребления (производство мебели, обшивок, покрытий пола, тара) незаменима и имеет преимущества перед хвойной древесиной.

4. Требования по качеству сырья и пилопродукции, заложенные в нормативно-технические документы (стандарты, технические условия), касающиеся древесины мягколиственных пород практически идентичны с аналогичными требованиями для хвойной древесины.

5. Пилопродукция из мягколиственной древесины вырабатывается по размерной сетке сечений, единой для всех пород, но длина полуфабрикатов и изделий из нее в подавляющем большинстве случаев не превышает 2-3 метров.

6. Современная унифицированная технология производства пилопродукции не обеспечивает конкурентоспособность продукции из мягколиственной древесины из-за высоких производственных затрат, поскольку она копирует традиционную технологию переработки хвойной древесины и не учитывает различий в размерно-качественных характеристиках этих двух групп пород.

7. Проведенные теоретические и экспериментальные исследования показывают, что при оптимизации схемы раскроя мягколиственного сырья возможно получить выход пилопродукции, сопоставимый с выходом пиломатериалов из хвойного сырья. Для мягколиственного пиловочного сырья рекомендуются схемы раскроя, находящиеся на стыке развального и брусо-во-развального методов и обеспечивающие разделение различных по качеству центральной и периферийной зон вершинного торца бревна.

8. Технология переработки мягколиственного пиловочного сырья с получением конкурентоспособной продукции должна базироваться на следующих положениях:

- поставка коротких бревен одной длины (3-4 метра);

- отсортировка бревен с развитой гнилью и кривизной более 1%;

- применение специальных схем раскроя средних лесоматериалов вразвал на одну толщину или с вырезкой центральной доски дву

- кратной толщины. Для крупных лесоматериалов предпочтительней раскрой с глубоким брусом, высота которого равна трехкратной толщине доски с возможностью сдваивания толщины боковых досок;

- обрезка боковых досок по внутренней пласта;

- формирование окончательного сечения и глубокая переработка после сушки.

9. Технология, основанная на этих положения, может быть реализована в два этапа. Первый этап от поставки сырья до сортировки полуфабрикатов выполняет функцию обогащения (модель "О"), второй этап - после сушки выполняет функцию рафинирования (модель "Р"). Операция сушки древесины является связующим звеном между двумя этапами и может входит в любую из моделей, исходя из экономических соображений.

10. Методические приемы анализа и синтеза технологии производства пилопродукции имеют общеотраслевой характер и могут применяться при анализе существующих и поиске новых технологий.

11. Результаты исследований внедрены в производство в виде нормативных и руководящих технико-экономических материалов, использованы при создании гаммы оборудования для лесопильно-деревообрабатывающих предприятий малой мощности а также при проработке научно-исследовательских и опытно-конструкторских проектов, входящих в Федеральную целевую программу "Развитие лесопромышленного комплекса Российской Федерации".

212