автореферат диссертации по технологии, машинам и оборудованию лесозаготовок, лесного хозяйства, деревопереработки и химической переработки биомассы дерева, 05.21.05, диссертация на тему:Технология и оборудование мобильных производств арболита

РГБ ОД 1 1» ДЕК 199*

На правах рукописи

НИКИФОРОВ Александр Юрьевич /(с'С

/

ТЕХНОЛОГИЯ И ОБОРУДОВАНИЕ МОБИЛЬНЫХ ПРОИЗВОДСТВ АРБОЛИТА

05.21.05 - технология и оборудование деревообрабатывающих производств, древесиноведение

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Красноярск 1998

Работа выполнена в Красноярском государственном техническом университете.

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Каверзин С. В.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Чудинов Б. С.

кандидат технических наук, доцент Лозовой В. А.

Ведущая организация: Сибирский научно-исследовательский институт

Защита диссертации состоится « 28 » декабря 1998 г. в 10 часов на заседании диссертационного совета К 063.83.02 в Сибирском государственном технологическом университете по адресу: 660049, г. Красноярск, пр. Мира, 82.

Отзыв на автореферат в двух экземплярах с заверенными подписями просим присылать ученому секретарю диссертационного совета К 063.83.02.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Сибирского государственного технологического университета.

Автореферат разослан « 27 » ноября 1998 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

лесной промышленности (г. Красноярск).

кандидат технических наук, доцент

Пахнутова Л. В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы.

Миллионы кубометров древесных отходов, образующихся на стадиях лесозаготовки и деревообработки, не перерабатываются ввиду высоких затрат, требуемых для их транспортирования к промышленным предприятиям. В связи с этим приобретает актуальность проблема утилизации этих отходов непосредственно на местах, в частности путем организации в леспромхозах и лесопильно-деревообрабатывающих комбинатах сети производств строительных материалов (арболита и других видов деревобетонов). Эти материалы отличаются высокими эксплуатационными качествами и низкой себестоимостью при условии использования отвальных отходов. Однако строительство цехов арболита требует крупных инвестиций и сопряжено с длительными сроками окупаемости.

Одним из эффективных направлений переработки лесосечных отходов, а также отходов деревообработки, является создание гидронавесцых смесительно-формовочных орудий для машинотракторного парка лесной промышленности. Такое использование энергетики тракторов рационально в межсезонье и в других случаях вынужденного снижения объемов лесозаготовок. Гидронавесные тракторные орудия могут функционировать на любой площадке вне зависимости от наличия электроснабжения и инженерных коммуникаций, без которых не обходятся стационарные типовые производства арболита. Масштабы использования сменных орудий могут быть различными -от удовлетворения собственных нужд строительства в лесозаготовительных и деревообрабатывающих предприятиях до товарного производства арболитовых изделий для близлежащих сельскохозяйственных районов. Энергетические возможности лесных тракторов (мощность 60 — 110 кВт) соизмеримы с установленной мощностью оборудования крупных цехов по производству арболита, в связи с чем можно рассчитывать на достаточно высокую

производительность навесных агрегатов при эффективном использовании механического и гидравлического привода трактора. Доставка вяжущих материалов из промышленных центров рациональнее перевозки древесных отходов в эти центры для переработки в строительные материалы.

Наряду с ресурсосбережением весьма актуальна природоохранная сторона разработки мобильных средств по утилизации отходов лесозаготовок и деревообработки. Практически потребляется лишь стволовая древесина, а почти половина биомассы остается невостребованной, захламляя территорию и способствуя возникновению пожаров и размножению насекомых-вредителей. Поэтому сбор и переработка отходов на арболит передвижными тракторными агрегатами должна способствовать оздоровлению экологической обстановки в районах действия лесопромышленных предприятий.

Цель работы.

Увеличение объемов переработки отходов лесозаготовительных и деревообрабатывающих предприятий за счет создания системы гидронавесных тракторных смесительно-формовочных орудий и агрегатов для производства арболитовых изделий.

Научпая новизна.

Выполнен анализ способов производства арболита, на основании чего поставлена задача использования энергии гидропривода лесных тракторов для выпуска арболитовых изделий непосредственно в условиях возникновения отходов. Предложена и исследована мобильная технология производства арболита, а также дан ряд принципиальных схем навесных формовочных агрегатов, определены их параметры и экспериментально обоснованы конструктивно-технологические решения гидронавесного тракторного оборудования.

Практическая ценность.

Разработан и испытан в производственных условиях формовочный агрегат, предназначенный для получения арболитовых изделий, отвечающих

требованиям государственных стандартов, путем навески на трелевочный трактор. Предложены компоновки навесных рабочих органов для формования различных видов арболитовых изделий (стеновых камней, блоков, панелей). Разработана методика расчета навесных орудий и гидропривода при минимальной переналадке существующей конструкции и гидросистемы трактора.

Апробация работы.

Результаты настоящей работы поэтапно и в целом рассматривались на техсоветах ряда производственных организаций лесной промышленности г.Красноярска, инженерно-производствешгого центра «Стройка» КрасНИИП, Проблемной научно-исследовательской лаборатории УДМ КГТУ, на научно-технических конференциях КГТУ, а также па заседаниях кафедры гидропривода и гидропневмоавтоматики КГТУ в 1996-1998гг. Кроме того, работа рассматривалась в ОАО «Краслесмаш».

Реализация результатов исследовапня.

Результаты диссертационной работы реализованы в виде промышленной установки челночного типа (Шарыповский район Красноярского края). Приняты к внедрению два типа формовочных станков (для производства арболита из древесных отходов в объединении «Союз»). Методические и технические разработки приняты ОАО «Краслесмаш», а также используются в учебном процессе КГТУ и СибГТУ при изучении гидрофицированных навесных орудий.

Публикации.

По результатам исследования опубликовано 8 печатных работ, в том числе 1 брошюра, 3 статьи, 3 информационных листка, тезисы доклада, подана заявка на патент.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов, списка литературы, включающего 120 наименований. Работа изложена на 146 страницах, включая 115 рисунков.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулированы ее цель и значение.

Первая глава диссертационной работы посвящена анализу предпосылок к созданию мобильной технологии и навесной формовочной техники для переработки отходов лесозаготовок и деревообработки с помощью имеющегося машинотракторного парка.

Существующие методы утилизации лесосечных отходов сводятся в основном к химической переработке и к производству строительных материалов (арболит, королит и др.). Однако для этого древесные отходы должны быть доставлены в промышленные центры. И если для предприятий лесохимии в достаточной мере организована транспортировка технологической щепы, то изготовление строительных материалов из отходов лесозаготовок и лесопиления практически отсутствует. Вывоз лесосечных отходов на переработку в города экономически не оправдан, а для выпуска арболита непосредственно на местах нет производственной базы. Возведение типовых цехов арболита в ЛПХ связано с крупными капиталовложениями, что для большинства предприятий отрасли невыполнимо. Поэтому в работе определена задача использования для этой цели мощностей мобильной тракторной техники, как существующей, загрузка которой невелика, особенно в межсезонье, так и вновь приобретенной, расходы на которую несоизмеримо малы по сравнению со строительством цехов арболита.

Показаны технологические параметры арболита из отходов лесозаготовок и лесопиления. Проанализированы существующие способы формования арболита, в том числе ряд станочных схем вибросилового уплотнения, из чего сделан вывод о практической возможности внецехового (полигонного) производства арболитовых изделий навесными тракторными орудиями.

При использовании серийного трактора решающее значение имеет способ передачи энергии дизеля на навесные смесительные и формовочные орудия. Конструкция трактора допускает ряд вариантов привода рабочих органов арболитоукладчика (рис. 1).

Системы комплексного тракторного привода «дизель — рабочие органы»

для изготовления изделий из арболита

Рис. 1

Анализ литературных и патентных источников показал, что опыт производства арболита с использованием навесных тракторных орудий отсутствует, хотя имеются примеры разработки навесных рубительных машин, действующих от вала отбора мощности (ВОМ) или от гидропривода трактора.

Отмечен ряд направлений развития мобильной смесительной и формовочной техники в практике строительства. Рассмотрен зарубежный опыт разработки широкой гаммы смесительных мобильных машин (фирмы Italmacchine, Metalgalante, Gecom S.p.A., M.Lorenzana, Hormilan, Interttor, Ausa, Elba-Kaiser, Karrena, Liebherr, Reich, Stetter, Vogele, Schwing и др.). Все машины являются специальными и нет примеров навески смесительных орудий на серийные тракторы. В нашей стране выпускается ряд специальных автобетоносмесителей, а также несколько типов универсальных мшшмапшн с навесными орудиями, в том числе с бетономешалками емкостью до 0,1 м3, но без формующих устройств.

Приводятся разработки специальных дорожных бетоноукладчиков, в основном зарубежных фирм (Gomaco, Commander, Power Curber, Barber Green, Massenzá).

Выполнен анализ работ в области передвижных гидрофицированных средств приготовления и укладки строительных смесей.

Сформулированы основные требования, которые должны предъявляться к нанссным формовочным орудиям (НФО) для работы в условиях JU1X, ЛДК: функциональная пригодность для получения качественных изделий (камней, блоков, панелей) из арболита; универсальность, допускающая возможность изготовления сопутствующих изделий из бетонов; малая металлоемкость и простота конструкции, позволяющая изготовлять орудия в механических мастерских и ремонтных цехах; полная гидрофикация привода для автономной работы орудий без электроснабжения и др. Это делает проблему разработки НФО многокритериальной и структурно многоплановой (рис. 2).

Классификация вариантов конструктивно-технологического решения навесных формовочных орудий для производства арболита

Навесные формовочные орудия (НФО)

Рис.2

В связи с этим в работе были поставлены следующие задачи:

- на примерах разработанных схемных решений НФО построить уравнения динамического равновесия и теоретически определить оптимальные параметры рабочих органов;

- экспериментально изучить процесс уплотнения смесей на натурных физических моделях рабочих элементов НФО;

- разработать варианты компоновок НФО для изготовления различных видов строительной продукции применительно к разным типам транспортных машин лесной промышленности;

- определить экономическую эффективность применения НФО. Разработаны общие методические положения по решению

многокритериальной задачи. В соответствие с аддитивным принципом

п

ор1Х —» шах ]Г х.

Методическая схема разработки навесного формовочного орудия (НФО) Обобщенный Частные Варианты частных Технологии Региональные

критерии критерии технологии х1-

х^тах

оакторы

-=» -г тах 1 у

т т ах

£т(х2) -->

-=»|

£т(х3) -г т ах *з

-э-

£т(х4) -г т ах

-5"

1т(х5) т ах х5

НФО

Исследования Рис. 3. Методическая схема работы

Вторая глава содержит описание механизма вибросилового уплотнения арболитовой смеси и процессов взаимодействия формующих органов с уплотняемой арболитовой смесью с целью определения геометрических и энергетических параметров навесных смесеукладчиков.

На основе представлений динамики неоднородной среды рассмотрен виброфильтрационный принцип уплотнения арболита. Тиксотропное разжижение цементного теста под воздействием вынужденных колебаний способствует снижению его вязкости в 3-4 раза и заполнению межзернового

пространства в соответствии с закономерностями, определенными формулой Дарси (рис. 4)

к» А „ V = —рАР ,

где у - скорость фильтрации; к„ - коэффициент проницаемости; )/ -коэффициент вязкости; р — плотность; АР - градиент напора.

Зависимости скорости уплотнения арболита от параметров смеси

а)

б)

б - У-/{АР,г])

Рис.4

Выдвинуто положение о прессующем воздействии на арболитовую смесь собственных низкочастотных колебаний подрессоренного вибролиста. На этой основе разработан ряд моделей навесных формовочных органов. Представлена модель непрерывного напольного формования ленты арболита с последующей разрезкой на блоки. Процесс основан на плоском течении уплотненной смеси под действием верхней виброплиты выходной щели, а процесс получения арболитовой ленты заданной толщины описывается полной системой уравнений для вязкопластичсского сжимаемого изотропного неоднородного тела.

Полная система включает в себя уравнения движения

уравнение неразрывности

(4)

уравнение сжимаемости

(5)

где х, у, г - декартовы координаты; / - время; ау, оху, а. - напряжения; а — среднее нормальное напряжение; ,\у - скорости течения; Рх, - массовые силы; р - плотность уплотняемого материала.

Предложен ряд конструктивно-технологических схем навесного вибробункера. Неразрезной вибробункер, эластично закрепляемый на раме, обеспечивает виброударное уплотнение арболитовой смеси.

Масса корпуса (тк) и присоединенная масса арболита (та) составляют величину т, жесткость пружин - к, вынуждающая сила вибратора - Ре; угловая частота колебаний -\v\x- амплитуда колебаний.

Дифференциальное уравнение движения для вынужденных колебаний бункера со смесью имеет вид

{та +тк)х" + кх = Рв бшу^ .

Определены параметры разрезного вибробункера (рис. 5).

а) б)

а) схема разрезного двухмассного бункера с передним вибробортом: 1 -вибратор; 2 - виброборт; 3 - бункер; б) зависимость х-/(т,к).

Рис. 5

Виброборт массой т1 создает технологическую вибрацию с амплитудой которая через амортизаторы передается на бункер, где уменьшается до дг2, а затем - на механизм навески (х3). Оптимальный вариант заключается в гашении технологической вибрации в механизме навески (хг=0) и предотвращении вибрации корпуса трактора. Исходя из этого, записана следующая система уравнений:

где // - динамический коэффициент вязкости бетонной смеси; Ра - площадь контакта виброборта с арболитом; Ьа - толщина слоя бетона; Рв - вынуждающая сила вибратора; со - частота колебаний; I - время; Еа - модуль упругости смеси.

Из графика видно, что в наиболее вероятном диапазоне т] (от 875 до 1250 кг) значение хт] составляет 1,3 - 1,7 мм.

т2 $2 +кг(х2 ~х1) =

Е0Ра К

(7)

Разработан ряд принципиальных схем непрерывно-формующего навесного ахрегата: с переносным гвдровибратором (передача вращения через гибкий вал); валковый укладчик; вибротрамбующий бункер-укладчик (рис.6); бункер с вибрирующей гребенкой пустотообразователей.

Непрерывно-трамбующий укладчик

Рис.6

Предложены и описаны процессы уплотнения в арболитоукладчиках дискретного действия, где укладка смеси в напольные формы выполняется с остановкой трактора. Рассмотрены варианты маятникового и плоскопараллельного виброщита, в том числе с силовым пршружением (механизмом навески трактора или погрузочным щитом). Представлена схема навесной виброкассеты для вертикального формования в рамке крупных арболитовых блоков с немедленной распалубкой.

Дифференциальное уравнение для вынужденных колебаний виброщита кассеты имеет вид

с!2х (1х ,

= (В)

где т - масса виброщита; с - инерционное сопротивление арболита колебаниям щита; к - упругость арболиговой смеси; Ре - вынуждающая сила; * - угловая частота вынуждающей силы.

Для ограничешшх производственных площадей, а также для работы в закрытом помещении (в холодное время года), предложены схемы навесных формовочных станков, позволяющих за счет отбора мощности изготовлять

арболитовые блоки ири стационарном положении трактора. Разработана расчетная схема и конструкция станка челночного действия, на котором виброформы совершают возвратно-поступательные перемещения под вибробупкером.

Образующийся при этом угол захвата Р дает возможность обеими кромками многократно втапливать определенный слой захвата ЛИ.

На пластинчатой кромке бункера действуют нормальные ак и касательные тк напряжения, а также нормальные напряжения ах и <уу (рис.7).

Расчетная схема уплотнения пластинчатой кромкой

1бГ/

ей 9

Рис. 7

ак = <7у со Б2 Р+(Тл Б1П2 р\ тк = -(<Ту - Ох ) бш Р соэ .

(9) (10)

По закону Кулона

(П)

где /— коэффициент тре1шя. Тогда

о, =с,

СО 5/9(/ + БШ/?)

(12)

о-, = <т,

У

У БШ Р(С0Б Р - /БЩ/?) '

1 + /зш/7(1-со5/?) сов Р - / БЩ р '

(13)

гШ = г соз2/ + Айсоз2/;

г(1-соз2/) = Мсоз2/; ^^

ДА = г( 1-С052/) соб2/

Таким образом, высота слоя захвата увеличивается пропорционально радиусу изгиба кромки бункера в зависимости от величины угла захвата /?.

При наличии вибратора на подрессоренном поддоне формы столб смеси (высота формы плюс высота бункера) будет подвергаться периодическому подъему и опусканию. В случае действия сил, превышающих массу смеси, происходит отрыв смеси от днища формы, некоторый «полет» и падение на днище.

Это явление крайне нежелательно для достаточно рыхлых древесных материалов. Поэтому необходимо оптимизировать высоту столба с целью исключения отрыва смеси.

Записано дифференциальное уравнение движения смеси в системе «форма - бункер»

=—^¡пи*-———-г.), (15)

тф Р. тб

где Па и Нф — координаты смеси и формы относительно точки их соударения; Рв - вынуждающая сила нижнего вибратора; Шф и тб - масса формы и смеси в форме; м> - частота; ? - время; ()ф - давление смеси, находящейся в форме; Qe -давление смеси в бункере как пркгруз.

Условие, при котором смесь не отделяется от виброформы

На-Нф=0.

Тогда, преобразуя, получим

а"'1 (16>

Изучен вопрос навески на манипулятор трактора-погрузчика

гидрофицировапного смесителя-укладчика с выносным вибратором, работающим от гидромотора. Определены параметры гидропривода НФО, основанные на дроссельном регулировании. Особенность гидросистемы состоит в поддержании постоянного числа оборотов смесителя и гидровибратора при переменных режимах работы дизеля и меняющегося уровня технологического пагружения НФО.

Третья глава содержит результаты экспериментального исследования НФО. Приводится описание экспериментальных установок и методики проведения экспериментов. При проведегага экспериментов ставилась цель -выбрать оптимальные конструктивно-технологические параметры НФО, а также выявить зависимость функциональных характеристик орудий от режимных.

В ходе эксперимента определялось:

- зависимость скорости уплотнения смеси от содержания цемента, от высоты загрузки бункера, от жесткости амортизаторов - при постоянных геометрических параметрах установки и постоянной вынуждающей силе вибратора;

- зависимость степени уплотнения от вида заполнителя и параметров вибрационного поля в бункере НФО;

- значения плотности смеси в разных зонах НФО в ходе стационарного процесса непрерывного уплотнения и укладки смеси;

- зависимость плотности смеси на выходе от параметров вибрации и скорости прохождения смеси через бункер-укладчик;

- оптимальное положение вибрирующего органа на НФО, вынуждающая сила и частота;

- распределение амплитуд колебаний по элементам конструкции НФО, степень гашения вибрации в двух- и трехмассных системах в целях недопущения ее передачи на транспортную машину;

- качественные характеристики получаемых на НФО строительных

изделий, их соответствие требованиям государственных стандартов.

Для проведения экспериментов изготовлены полупромышленные установки, рассчитанные на получение изделий из арболита. Укладчики непрерывного действия (неразрезной и разрезной) с возможностью перестановки вибраторов и навески мундштуков различного профиля; два вида навесных формовочных станков (напольный и с виброформой).

Выявлено на всех установках наиболее существенное влияние на амплитуду колебаний величины плотности смеси. Проведено детальное определение поля вибрации по всем элементам экспериментальных НФО как в незагруженном, так и в загруженном состоянии, Приняты составы арболита с расходом цемента 250, 300, 350, 400 кг/м3 (составы 1,2,3,4). Вибробункеры поделены на 5 зон (сверху вниз): I, II, III, IV, V. В каждой зоне замерялось электросопротивление арболитовой смеси. Для модуля непрерывного напольного формования наблюдалась картина распределения омического сопротивления по зонам 1-У по времени т, с (рис. 7).

Динамика распределения плотности (по электросопротивлению) в зонах бункера 1-У.

Время, с

Рис. 7

По данной методике определялось распределение плотности арболитовой смеси при различных конструктивных вариантах вибромодулей непрерывного

и дискретного действия. Оценивалось влияние на электросопротивление (плотность) арболитовой смеси на выходе скорости движения модуля, м/мин (рис. 8).

Уровень электросопротивления в бункере непрерывного действия при изменении скорости движения (составы 1,2,3)

0 1 2 3 4 5 6

Скорость движения модуля, м/мин

Рис. 8

Составы с меньшим содержанием цемента (1, 2) интенсивно теряют плотность при увеличении скорости до 3-4 м/мин.

В результате экспериментов практически подтверждены аналитические данные по уровню вибрации и скорости формования в различных видах НФО. Получены арболитовые изделия расчетной прочности и плотности (коэффициент уплотнения 1,6 - 1,7). Плотность и прочность изделий при напольном непрерывном формовании ниже на 10-15% по сравнению с изделиями, получаемыми в формах на навесном станке. За счет введения в арболит части песка повышена прочность и формуемость изделий в модулях непрерывного действия.

В четвертой главе показана область применения и экономическая эффективность навесной арболитоформовочной техники. Представлены варианты оснащения гусеничных лесопромышленных тракторов. На примере трелевочного трактора рассмотрены компоновки «смеситель - формующие устройства» с использованием: напольных многоместных форм для

изготовления стеновых камней; опускной формы-рамки с виброщитом для получения арболитовых блоков в горизонтальном положении (на полу или поддоне); навесной вертикальной виброформы (кассеты). На рис. 9 показана компоновка «смеситель-кассета».

Навесной смеситель с кассетой

Рис.9

На погрузочный щит трелевочного трактора крепится рама, на которую устанавливается смеситель принудительного действия и присоединяются на шарнирах две вибростенки, с помощью которых в трехзвенной рамке уплотняется в вертикальном положении арболитовый блок. Распалубка выполняется путем раскрытия стенок в стороны и продвижения трактора на следующую позицию. В экспериментальной части доказана возможность немедленной распалубки арболитовых блоков высотой до 1 м. В транспортном положении погрузочный щит с НФО поднимается. Действие вибраторов и смесителя осуществляется гидромоторами от гидравлической системы трактора.

Предложена и реализована в Шарыповском районе Красноярского края челночная формовочная установка. Показаны варианты ее размещения на трелевочном тракторе (со снятым погрузочным щитом). Одновременно со смесителем и формующим агрегатом на тракторе может быть смонтирована навесная рубительная машина с гидроприводом, что делает этот комплекс

полностью автономным для переработки лесосечных отходов.

Показана компоновка специально изготовленного смесителя-укладчика на манипуляторе валочно-трелевочной машины. Такой агрегат предназначен для приготовления арболитовой смеси и ее укладки в опалубку при монолитном возведении малоэтажных зданий.

Разработаны варианты агрегатируемого навесного арболитоформовочного оборудования для колесных тракторов.

Даны схемы организации производства арболита: 1) на лесосеках (вариант мобильной механизированной колонны); 2) на территории верхнего склада ЛПХ и склада сырья ЛДК (приготовление арболитовой смеси в смесителе на манипуляторе с погрузкой на автосамосвал с формующей гидропавссной насадкой); 3) стационарный вариант для закрытого помещения (в холодное время года) - трелевочный трактор с челночной навесной установкой и смесителем.

Представленные экономические расчеты свидетельствуют о несопоставимо низких капитальных затратах на НФО по сравнению с вариантами строительства в ЛПХ цехов по производству арболита (при равной производительности). Окупаемость затрат на НФО составляет несколько месяцев против многолетних сроков окупаемости цехов.

Отмечена природоохранная функция системы тракторных НФО, заключающаяся в возможности очистки лесосек от отходов мобильными колоннами с автономным дизель-гидравлическим приводом.

ВЫВОДЫ

1. Разработаны технологические процессы и малогабаритные навесные формовочные устройства, предназначенные для изготовления арболита

из отходов предприятий лесного комплекса монтируемые на серийных тракторах.

2. Применение навесных орудий позволяет без существенных капитальных затрат и без длительного подготовительного периода утилизировать рассредоточенные древесные отходы за счет мобильности и энергетики тракторов.

3. Исследован процесс уплотнения арболита навесными орудиями, в которых применены в разных композициях подрессоренные вибропластины, совершающие как вынужденные высокочастотные (50 Гц) колебания, так и собственные - с малой частотой и большой амплитудой. Основное теоретическое положение работы заключается в разделении функций воздействия на арболитовую смесь: вынужденные колебания с амплитудами 0,3 - 0,4 мм обеспечивают тиксотропное разжижение цементного теста и его ускоренную фильтрацию в межзерновом пространстве, а собственные - за счет амплитуд 2-5 мм оказывают прессующее воздействие на древесный заполнитель.

4. По указанному принципу разработаны конструкции орудий для различных схем организации производства (непрерывно-поточной и стендовой) и для нескольких разновидностей древесно-цементных композиций (арболита, деревобетона, королита и др.). Путем решения систем уравнений динамического равновесия получены расчетные параметры навесных арболитоукладчиков ленточного типа (вибробункеров с гибкими пластинами, катками и трамбующими устройствами), а также навесных станочных устройств для стационарной работы трактора. Определены принципы работы и схемы навесных гидравлических систем для смесительно-формовочных орудий, монтируемых на серийных тракторах.

5. На опытных формовочных модулях отработаны технологические режимы получения арболитовых изделий с помощью гибких

вибропластин, определены эпюры распределения вынужденных и собственных колебашш виброоргаиов, получены зависимости скорости уплотнения и плотности материала от конструктивных параметров. Установлена практическая возможность использования орудий для работы в навесном режиме.

6. Разработаны компоновочные решения по использованию гидросистем и рабочего оборудования лесных тракторов (погрузочных щитов, манипуляторов, механизмов навески и др.) в качестве привода для функционирования навесных формовочных орудий.

7. Определена достаточно высокая экономическая эффективность малогабаритных быстроокупаемых навесных формовочных агрегатов в сравнении с традиционными вариантами утилизации древесных отходов в виде стационарных цеховых технологий.

8. Наряду с функцией ресурсосбережения навесная арболитоформовочная техника имеет экологическое значение, так как способствует наиболее полной утилизации древесных отходов, являющихся источником пожаров и заражения лесов.

Основное содержание работы изложено в публикациях:

1. Никифоров А. ГО. Гидронавесные орудия для производства арболита.

Красноярск: Изд. КГТУ ,1998г. 80 с.

2. Никифоров А. Ю. Навесные арболитоукладчики / Вестник Ассоциации

выпускников КГТУ. Красноярск: КГТУ 1998. С.135-139.

3. Никифоров А. 10. Гидравлический привод навесного смесительно-

формовочного оборудования/Гидропривод машин различного технологического назначения. / Сб. науч. трудов, Красноярск: КГТУ, 1997. С. 37-42.

4. Никифоров А. 10. Формовочная насадка к автосамосвалу. Инф. лист. №171-

97. ЦНТИ, Красноярск, 1997.

5. Никифоров А. Ю. Полевая формовочная машина непрерывного действия.

Инф. лист. №172-97, ЦНТИ, Красноярск, 1997.

6. Никифоров А. Ю. Навесная формовочная машина дискретно-непрерывного

действия. Инф. лист. №173-97, ЦНТИ, Красноярск, 1997.

7. Никифоров А. Ю. Технологические нагрузки навесной гидрофицировашгой

формовочной машины / Вестник Красноярского технического университета. Машиностроение. Транспорт. Вып. 11/Отв. ред. Е. Г. Синенко, КГТУ. Красноярск, 1998. С. 136-141.

8. Никифоров А. Ю. Гидрофицированные навесные формовочные орудия /

Качество продукции машиностроения: Тезисы докладов научно-практической конференции / Под. ред. В. Ф. Терентьева, В. И. Усакова, КГТУ, Красноярск, 1998. С. 113.

МИНИСТЕРСТВО ОБЩЕГО И ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Красноярский государственный технический университет

На правах рукописи

УДК 634.0.848.004.8:674.816.2

НИКИФОРОВ Александр Юрьевич ^

■ ■ /" /!

и

ТЕХНОЛОГИЯ И ОБОРУДОВАНИЕ МОБИЛЬНЫХ ПРОИЗВОДСТВ АРБОЛИТА

Специальность: 05.21.05 - технология и оборудование

деревообрабатывающих производств, древесиноведение

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель:

Каверзин С.В. - доктор технических наук, профессор

Красноярск 1998

СОДЕРЖАНИЕ

Стр.

Реферат 4

Перечень условных обозначений 5

ВВЕДЕНИЕ 6

Глава 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ 9

1.1. Существующие направления механизации производства арболита 9

1.2. Предпосылки использования мобильной смесительной и формовочной техники для формования арболита 21

1.3. Анализ работ в области гидронавесных формовочных средств 25

1.4. Задачи исследования 33

1.5. Технология производства арболита в полигонных условиях 36

1.6. Общие методические положения 43

Глава 2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОПТИМАЛЬНЫХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ НАВЕСНЫХ АРБОЛИТОФОРМОВОЧНЫХ ОРУДИЙ 45

2.1. Принципы действия навесных арболитоукладчиков 45

2.2. Динамика процессов формования арболита навесными орудиями 52

2.3. Технологические параметры смесителя-укладчика

на гидроманипуляторе 80

2.4. Принципы проектирования гидропривода навесных

арболитоукладчиков 82

Стр.

Глава 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ТЕХНОЛОГИИ ФОРМОВАНИЯ АРБОЛИТОВЫХ ИЗДЕЛИЙ НАВЕСНЫМИ ОРУДИЯМИ 91

3.1. Методика эксперимента и используемые материалы 91

3.2. Технология непрерывного «ленточного» формования 92

3.3. Технология дискретного формования 101

Глава 4. ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ И ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ НАВЕСНЫХ АРБОЛИТОФОРМОВОЧНЫХ ОРУДИЙ 107

4.1. Арболитоукладчики для гусеничных лесных тракторов 107

4.2. Арболитоукладчики для колесных тракторов 117

4.3. Организация полигонного производства арболита в условиях лесопромышленных предприятий 122

4.4. Экономическая эффективность навесной арболитоформовочной техники 126

ВЫВОДЫ 133

ЛИТЕРАТУРА 135

ПРИЛОЖЕНИЯ

145

РЕФЕРАТ

Диссертация 146 е., 115 рис., 120 использованных источников литературы.

Технология, навесные формовочные орудия, арболит, лесные тракторы, процесс уплотнения, гидравлический привод, эффективность.

Объектом исследования является технология формования арболита из древесных отходов с помощью навесных орудий.

Цель работы - увеличение объемов переработки древесных отходов за счет создания навесных тракторных формовочных орудий и агрегатов для производства арболитовых изделий в условиях лесопромышленных и деревообрабатывающих предприятий.

В работе дан анализ способов формования арболита, основанных на использовании стационарных технологических линий. Показана возможность создания быстроокупаемых полевых технологий на основе дизель-гидравлического привода тракторного парка.

Разработаны конструктивно-технологические решения навесных формовочных орудий и даны математические описания процессов формования арболита в непрерывном и дискретном режимах. Реализация моделей на ЭВМ позволяет установить оптимальные параметры формовочных орудий, а также интенсивность процессов в зависимости от составов арболитовой смеси.

Материалы, представленные в диссертации, получены на основе экспериментальных лабораторных и натурных исследований, проведенных на разработанных опытных формовочных орудиях.

Функциональные характеристики орудий, а также выявленная их экономическая эффективность, позволяют судить о практической целесообразности развития предложенной технологии и оборудования.

Перечень условных обозначений

Ясж - предел прочности при сжатии, Мпа;

о

Я — плотность, кг/м ; Ж - жесткость смеси, с; В/Ц- водоцементное отношение; Рв - вынуждающая сила вибратора, Н; т - масса, кг;

м? - угловая частота колебаний, с"1; / - время, с;

Еа - модуль упругости, кг/см2;

[л - коэффициент вязкости, г-с/см ;

Ра - площадь контакта арболита с виброорганом, м2;

жесткость пружин, кг/см; ка - глубина вибрируемого слоя смеси, м; р - давление жидкости в гидросистеме, МПа; О, - подача рабочей жидкости, м3/с; Мм - момент сопротивления на валу гидромотора, Н-м; Мн - крутящий момент на валу насоса, Н-м; q - рабочий объем гидромашины, м3; /(у) - параметр регулирования; а ~ постоянная гидромеханических потерь;

коэффициент гидравлического сопротивления; /ф - площадь проходного отверстия дросселя; Арм - перепад давлений в гидромоторе, Мпа;

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы.

Миллионы кубометров древесных отходов, образующихся на стадиях лесозаготовки и деревообработки, не перерабатываются ввиду высоких затрат, требуемых для их транспортирования к промышленным предприятиям. В связи с этим приобретает актуальность проблема утилизации этих отходов непосредственно на местах, в частности путем организации в леспромхозах и лесопильно-деревообрабатывающих комбинатах сети производств строительных материалов (арболита и других видов деревобетонов). Эти материалы отличаются высокими эксплуатационными качествами и низкой себестоимостью при условии использования отвальных отходов. Однако строительство цехов арболита требует крупных инвестиций и сопряжено с длительными сроками окупаемости.

Одним из эффективных направлений переработки лесосечных отходов, а также отходов деревообработки, является создание гидронавесных смесительно-формовочных орудий для машинотракторного парка лесной промышленности. Такое использование энергетики тракторов рационально в межсезонье и в других случаях вынужденного снижения объемов лесозаготовок. Гидронавесные тракторные орудия могут функционировать на любой площадке вне зависимости от наличия электроснабжения и инженерных коммуникаций, без которых не обходятся стационарные типовые производства арболита. Масштабы использования сменных орудий могут быть различными -от удовлетворения собственных нужд строительства в лесозаготовительных и деревообрабатывающих предприятиях до товарного производства арболитовых изделий для близлежащих сельскохозяйственных районов. Энергетические возможности лесных тракторов (мощность 60 - 110 кВт) соизмеримы с установленной мощностью оборудования крупных цехов по производству арболита, в связи с чем можно рассчитывать на достаточно высокую производительность навесных агрегатов при эффективном использовании

механического и гидравлического привода трактора. Доставка вяжущих материалов из промышленных центров рациональнее перевозки древесных отходов в эти центры для переработки в строительные материалы.

Наряду с ресурсосбережением весьма актуальна природоохранная сторона разработки мобильных средств по утилизации отходов лесозаготовок и деревообработки. Практически потребляется лишь стволовая древесина, а почти половина биомассы остается невостребованной, захламляя территорию и способствуя возникновению пожаров и размножению насекомых-вредителей. Поэтому сбор и переработка отходов на арболит передвижными тракторными агрегатами должна способствовать оздоровлению экологической обстановки в районах действия лесопромышленных предприятий.

Цель работы.

Увеличение объемов переработки отходов лесозаготовительных и деревообрабатывающих предприятий за счет создания системы гидронавесных тракторных смесительно-формовочных орудий и агрегатов для производства арболитовых изделий.

Научная новизна.

Выполнен анализ способов производства арболита, на основании чего поставлена задача использования энергии гидропривода лесных тракторов для выпуска арболитовых изделий непосредственно в условиях возникновения отходов. Предложена и исследована мобильная технология производства арболита, а также дан ряд принципиальных схем навесных формовочных агрегатов, определены их параметры и экспериментально обоснованы конструктивно-технологические решения гидронавесного тракторного оборудования.

Практическая ценность.

Разработан и испытан в производственных условиях формовочный агрегат, предназначенный для получения арболитовых изделий, отвечающих требованиям государственных стандартов, путем навески на трелевочный

трактор. Предложены компоновки навесных рабочих органов для формования различных видов арболитовых изделий (стеновых камней, блоков, панелей). Разработана методика расчета навесных орудий и гидропривода при минимальной переналадке существующей конструкции и гидросистемы трактора.

Апробация работы.

Результаты настоящей работы поэтапно и в целом рассматривались на техсоветах ряда производственных организаций лесной промышленности г.Красноярска, инженерно-производственного центра «Стройка» КрасНИИП, Проблемной научно-исследовательской лаборатории УДМ КГТУ, на научно-технических конференциях КГТУ, а также на заседаниях кафедры гидропривода и гидропневмоавтоматики КГТУ в 1996-1998гг. Кроме того, работа рассматривалась в ОАО «Краслесмаш».

Реализация результатов исследования.

Результаты диссертационной работы реализованы в виде промышленной установки челночного типа (Шарыповский район Красноярского края). Приняты к внедрению два типа формовочных станков (для производства арболита из древесных отходов в объединении «Союз»). Методические и технические разработки приняты ОАО «Краслесмаш», а также используются в учебном процессе КГТУ и СибГТУ при изучении гидрофицированных навесных орудий.

Публикации.

По результатам исследования опубликовано 8 печатных работ, в том числе 1 брошюра, 3 статьи, 3 информационных листка, тезисы доклада, подана заявка на патент.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов, списка литературы, включающего 120 наименований. Работа изложена на 146 страницах, включая 115 рисунков.

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ

ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1. Существующие направления механизации производства арболита

1.1.1. Арболит из отходов лесозаготовок

Арболит [8-10,23,24] представляет собой легкий бетон, получаемый в результате формования и твердения смеси, состоящей из минерального вяжущего, заполнителей (отходов лесозаготовок [44,46,91,93], лесопиления, деревообработки, костры льна и конопли и другого органического целлюлозного сырья), химических добавок и воды. Средняя плотность

о

арболита колеблется от 400 до 850 кг/м , прочность - соответственно 0,5 - 5

о

МПа. Арболит марок 5; 10; 15 (со средней плотностью до 600 кг/м ) по назначению является теплоизоляционным, а марок 25; 35; 50 -конструкционным материалом [6].

Прочность арболита определяется прежде всего качеством древесного заполнителя [45-47]. Кроме того, на прочность влияют средняя плотность, расход цемента, В/Ц, применяемые добавки, однородность структуры, т.е. состав компонентов арболитовой смеси и степень ее уплотнения. Для получения арболита с высокими прочностными показателями необходимо применять выдержанный, т.е. наименее агрессивный заполнитель хвойной породы [50-52]. Уменьшить химическую и физическую агрессивность заполнителя можно введением в арболитовую смесь химдобавок [83,86,89]. В табл. 1.1. приведены свойства арболита.

Таблица 1.1

Физико-механические свойства арболита [108]

Характеристики Единица Витты япболитя

измерения На древесной дробленке Поризованный из отходов лесопиления Дуризол (Швейцария)

1 2 3 4 5

Плотность кг/м3 400-800 500-700 550-600

Предел прочности при сжатии Мпа 0,5-3,5 1,5-5,0 2-3,5

1

Коэффициент теплопроводности (на хвойной дробление) Водопоглощение по массе

Модуль упругости

Морозостойкость

Биостойкость

Огнестойкость

Усадка

Вт/м.К

%

Мпа Циклов

%

0,081-0,162

0,11-0,2

30-100 45-80

400-1200 600-2000

25-35 35-100

биостойкие трудносгораемые 0,4-0,5 0,3-0,5

0,116

50 150-600

0,5

Теплоизоляционные свойства арболита зависят от его плотности, которая, в свою очередь определяется плотностью материала (табл. 1.2).

Таблица 1.2.

о

Плотность арболита в зависимости от прочности и вида сырья (кг/м )

Прочность на сжатие Дробленка из отходов Прочность на сжатие, МПа Дробленка из отходов

лесопиления и деревообработки лесозаготовок лесопиления и деревообработки лесозаготовок

0,5 400 500 2,5 650 700

1 500 550 3,5 700 750

1,5 600 650

Коэффициент теплопроводности арболита зависит от его плотности:

Плотность, кг/м3 400 450 500 550 600 700 800

Коэффициент

теплопроводности

Вт/(м.К) 0,081 0,087 0,093 0,105 0,116 0,14 0,163

Практика применения арболита в нашей стране и за рубежом [98,103,105,107,108,110] показывает, что этот материал долговечен [109], обладает необходимой прочностью, имеет небольшую плотность, огнестоек, биостоек и легко поддается обработке - хорошо пилится и сверлится. Наконец, одним из основных его достоинств является доступность технологии изготовления изделий, приближающаяся к технологии обычных бетонов [14,26,48,49,85].

Сравнительные характеристики стеновых материалов приведены в табл.

1.3.

и

Таблица 1.3.

Физико-механические свойства материалов [20]

Вид материала Плотность кг/м3 Предел прочности при изгибе, МПа Предел прочности при сжатии, МПа Влажность % Ватт/м С

Арболит на древесной дробленке 500-650 0,4-1 1-3,5 20 0,116-1,245

Фибролит 300-500 0,4 -1 - 20 0,099-0,152

Ячеистые бетоны 300-12000 - 0,5 - 12 15 0,086-0,29

Камышит 175-250 0,18-0,5 - 18 0,055-0,093

Керамзитобетон 800-1300 - 0,5-15 8-10 0,24-0,52

Кирпич обыкновенный красный 1700 1,8-2,2 7.5-10 10 0,81

Значительную часть отходов лесозаготовок составляют лиственные породы. В работах [83,86,89,90] показаны способы использования древесины лиственных пород в арболите.

Дробленка получается путем пропускания дровяной древесины и отходов производства через рубительную машину [92] и молотковую дробилку. Размерный состав дробленых частиц по породам приведен в табл. 1.4 [6,52].

Таблица 1.4.

Физико-механические свойства арболита на основе осиновой дробленки (минерализаторы: жидкое стекло и хлористый кальций) [86]

Соотношение ц/д Плотность в сухом состоянии, о кг/м Влажность испытаний, % МПа К-ИЗГ, МПа Водопоглощение, %

через 2 часа через 24 часа

15 675 25,7 3,6 2,0 53,8 63,6

1,4 618 32,1 1,4 1,5 52,7 63,5

1,3 510 37,8 1,2 1Д 57,9 62,8

■5 Расход цемента на приготовление 1м арболита приведен в табл. 1.5.

Таблица 1.5.

Ориентировочный расход портландцемента марки 400 в зависимости от заполнителя и прочности арболита, МПа [52,111]

Вид заполнителя ■э Расход цемента, кг/м , при прочности:

0,5 1,0 1,5 2,5 3,5

Дробленка из отходов:

Лесопиления и дерево обработки хвойных пород 269 280 300 330 360

лесозаготовки хвойных пород 280 300 320 350 380

лесопиления и дерево обработки смешанных пород 290 310 330 360 390

лесозаготовок смешанных пород 310 330 350 380 —

Расход сухого органического заполнителя в зависимости от породного состава древесины [90] и требуемой прочности арболита составляет 180 - 250

о

кг/м .

Водоцементное отношение - 1,1 - 1,2.

Ориентировочный расход (кг) химических добавок (минерализаторов) для приготовления 1 м3 арболита: кальций хлористый технический - 8; стекло натриевое жидкое - 8; сернокислый глинозем - 20; известь-пушонка - 25 кг/м3.

Размеры древесных частиц от 3 до 20 мм.

Арболитовая смесь приготавливается во всех видах бетоносмесителей, но предпочтительно в смесителях принудительного действия [21,22]. Продолжительность перемешивания 3-5 мин.

Королит [88,107] является разновидностью арболита. Материал на основе измельченной коры изготовляют на гипсовом вяжущем [28,53] и портландцементе [51].

Предел прочности материала - 1,7 МПа. Применяется в виде теплоизоляционных плит.

Королит на цементе имеет предел прочности при сжатии до 3,5 МПа и плотность 750 - 800 кг/м . Для этого расходуется цемента марки 400 - 350-420

кг, коры - 200-280 кг, хлористого кальция (минерализатора) - 14-16 кг и воды -380-440 л.

В таблице 1.6 приведены ориентировочные технико-экономические показатели арболита.

Таблица 1.6

Технико-экономические показатели 1м2 ограждения из разных материалов

Материалы Плотность, •з кг/м Толщина, см Масса 1м2 ограждения кг Себестоимость руб , Капиталовложения, руб Трудоемкость (производство и монтаж), чел.ч.

Однослойное ограждение из арболита 700 22 154 74 95 2,7

- из керамзито бетона - 900 28 270 107 280 4,0

- из ячеистого бетона 700 24 200 99 251 3,6

Трехслойное ограждение из железобетона с минераловатной плитой 25 200 129 304 4,3

Кирпич глиняный 1800 66 1200 168 363 8,6

1.1.2. Технологии формования арболита

Наиболее распространенным способом изготовления блоков и панелей из арболита является укладка смеси в формы, находящиеся на виброплощадке, с одновременным или последующим пригружением сверху прессом или виброщитом [6,8-10,20-24,46,47,51,52,68]. По этому принципу были разработаны многочисленные линии, в том числе цех Красноярского ЛПК и цех Б. Муртинской ПМК в Красноярском крае (рис. 1.1 и 1.2) [68].

Технологическая схема цеха Красноярского ЛПК

1 - цемент; 2 - смеситель; 3 - транспортер; 4 - рольганг; 5 - виброплощадка;

6 - подпрессовка; 7 - форма Рис. 1.1

Схема тележечно-конвейерного производства арболитовых панелей

?

1 - загрузка в камеру (/°=45°С); 2 - форма; 3 - тележка; 4 - арболито-укладчик; 5 - каток; 6 - виброщит; 7 - камера; 8 - виброплощадка

Рис.