Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Состояние вопроса 10
1.1 Обзор лесной отрасли и рынка лесоматериалов в России и Касноярском крае 10
1.2 Основные свойства коры, определяющие процесс окорки 12
1.3 Виды, требования к качеству и технологическое место окорки 18
1.4 Основные способы окорки круглых лесоматериалов 24
1.5 Обзор оборудования для окорки круглых лесоматериалов 27
1.6 Обзор опытно-конструкторских и научных работ в области создания окорочных установок с гибкими рабочими органами 33
Выводы по Главе 1 43
ГЛАВА 2. Теоретическое обоснование процесса окорки круглых лесоматериалов цеповыми рабочими органами 45
2.1 Основное кинематическое соотношение при цеповой о корке 45
2.2 Силовое взаимодействие ПРО 48
2.3 Динамика цеповой окорки 50
2.4 Факторы, влияющие на энергозатраты (мощность) окорки ПРО 55
2.5 Энергозатраты цеповой окорки 60
2.6 Расчет мощности цеповой окорки 71
2.7 Взаимодействие конечного элемента ЦРО с круглым лесоматериалом в
поперечном сечении 74
Выводы по Главе 2 88
ГЛАВА 3. Методика проведения экспериментов 90
3.1 Цели и задачи экспериментальных исследований 90
3.2 Методика и экспериментальная установка проведения первой группы экспериментов 90
3.2.1 Методика проведения экспериментов 90
3.2.2 Предварительный эксперимент 93
3.2.3 Экспериментальная установка и измерительная аппаратура
3.2.4 Принятые значения факторов 101
3.2.5 Учет погрешностей измерительной аппаратуры 102
3.3 Методика и экспериментальная установка проведения второй группы экспериментов 104
3.3.1 Методика проведения экспериментов 104
3.3.2 Экспериментальная установка и измерительная аппаратура
3.3.2 Принятые значения факторов 107
3.3.3 Расчет погрешностей измерений 108
Выводы по главе 3 109
ГЛАВА 4. Результаты экспериментальных исследований 110
4.1 Результаты экспериментов первой группы опытов ПО
4.2 Результаты экспериментов второй группы опытов 114
4.3 Определение скорости подачи при наименьшей удельной работе 123 окорки ПРО 123
4.4 Область применения окорки ПРО 127
4.5 Сравнительный расчет энергетической эффективности способов окорки 129
Выводы по Главе 4 132
Заключение 134
Список литературы
- Виды, требования к качеству и технологическое место окорки
- Силовое взаимодействие ПРО
- Методика и экспериментальная установка проведения первой группы экспериментов
- Определение скорости подачи при наименьшей удельной работе 123 окорки ПРО
Виды, требования к качеству и технологическое место окорки
Лесной сектор занимает важное место в мировой экономике. Его значимость подтверждается такими факторами как: высокая доля лесопромышленного производствав общем объеме продукции, возобновляемость ресурсов, увеличение рынка потребления лесобумажной продукции, наличие большого количества рабочих мест в сфере лесного сектора и особенно в сельских местностях, возрастающее социальное и экологическое значение в жизни общества.
Известно, что 78 % лесосырьевых ресурсов России размещается в Восточной Сибири и на Дальнем Востоке. Площадь лесного фонда Красноярского края составляет 168,1 млн. га. Леса покрывают 69 % территории. Запасы промышленной древесины оцениваются в 14,4 млрд. м , что составляет 18 % общероссийских запасов древесины. Более половины лесов приходится на лиственницу, около 17 % - на ель и пихту, 12 % - на сосну и более 9 % - на кедр. Леса края на 88 % состоят из хвойных пород [52].
Древесина этих пород на международном рынке имеет неограниченный спрос и высокую стоимость. Однако используются эти уникальные богатства нерационально. По степени использования древесного сырья Россия и, в том числе и Красноярский край, значительно отстает от других стран мира.
Устаревшее оборудование и технологии не позволяют достигать приемлемого для современной экономики выхода продуктов переработки. В тысячи кубометров древесины в РФ производят 48,7 м целлюлозы и 56,2 м бумаги, а в соседней Финляндии эти цифры составляют 213 м и 237 м соответственно.
Анализ динамики объемов производства и внутреннего потребления лесобумажной продукции в целом по миру и ведущим лесопромышленным странам за последние десять - пятнадцать лет наглядно свидетельствует о том, что Россия отошла на второй план и по большинству показателей значительно уступает другим странам. Владея четвертью мировых запасов лесных ресурсов, Россия производит всего около 3 % от общего объема продукции мирового лесопромышленного производства. Для сравнения доля Финляндии - 8 %, Швеции - 10 %, США - 13 %, Канады - 17 %. По производству бумаги на душу населения наша страна занимает одно из последних мест в мире - всего 41 кг. Для сравнения в Канаде - 228 кг, в США - 327 кг, а в Финляндии - 412 кг.
По объему вывозки древесины Россия занимает 7 место, уступая не только США, Бразилии и Канаде, но и Индии, Китаю и Индонезии. По производству пиломатериалов Россия занимает 4 место, фанеры - 7, ДСтП - 7, ДВП - 10, бумаги и картона - 11 место.
В сфере внешнеэкономической деятельности Россия обеспечивает 40 % мирового экспорта круглых лесоматериалов хвойных пород и 30 % экспорта лесоматериалов лиственных пород [51].
Из всего объема производства деловой древесины доля пиловочной составляет 51 %, балансовой - 39 %, на прочие сортименты приходится 10 %.
Как свидетельствует анализ статистических данных, структура производства лесоматериалов продолжает характеризоваться высоким удельным весом круглых лесоматериалов.
Основная причина низкой степени освоения расчетной лесосеки заключается в недостаточности мощностей по лесопереработке, в том числе по глубокой химической и химико-механической переработке древесины, что усугубляет проблему комплексного использования низкосортной, лиственной древесины и древесных отходов. Значительная масса заготовленной низкосортной древесины не имеет рыночного спроса. При существующих объемах заготовки древесины на территории Красноярского края объем низкосортной древесины составляет 3,2 млн. м , и, кроме того, годовой объем отходов лесопиления (щепа, опилки, горбыль) составляет около 1,3 млн. м , на сегодняшний день необходимый минимум мощностей по глубокой переработке древесины на территории края составляет 4,5 млн. м в год. Дефицит мощностей по переработке древесных отходов составляет около 70 % от потребности.
Учитывая результаты анализа баланса производства и потребления древесины на территории края, основной задачей для развития лесоперерабатывающей отрасли является разработка мероприятий для интенсификации производств по глубокой переработке древесины.
Нет сомнения, что в повышении эффективности лесопромышленного комплекса весьма значительную роль призвано сыграть улучшение процесса окаривания древесины.
Окорка круглых лесоматериалов - это удаление с боковой поверхности наружного слоя ствола: корки, луба, камбия, в зависимости от назначения. Основное влияние на процесс окорки оказывает структура и физико-механические свойства коры.
Кора - комплекс тканей, образующихся из камбия, в виде двух слоев с постепенным или резким переходом от одного к другому: внутреннего, прилегающего к камбию, - луба и наружного - корки. Кора является своеобразной одеждой дерева и выполняет целый ряд физиологических функций в процессе его роста. Луб проводит по стволу образующиеся в листьях органические вещества, корка предохраняет ткани от механического повреждения, проникновения грибов и бактерий, резкого изменения температур, испарения влаги. Кора является следствием нормальной жизнедеятельности дерева. Камбий - граничный слой между древесиной и корой. Формирование коры на стволе дерева происходит в зависимости от условий его роста и климатических факторов в районе лесонасаждения. В общем объеме ствола дерева кора составляет от 6 до 30 %, при этом большая часть коры имеет не волокнистое строение.
Исследования физических свойств коры проводились ЛТА, ЦНИИМОД, СвердНИИПдреви другими институтами в нашей стране и за рубежом.
Б.Н. Тихомиров, рассматривая зависимость средней толщины коры от диаметра ствола, подчеркивает, что колебания толщин у отдельных деревьев очень большие, но в среднем увеличение идет равномерно с увеличением диаметра ствола [106]. Аналогичные зависимости были установлены B.C. Попеко [88] для районов Забайкалья.
Одним из признаков, положенных в основу при выделении форм древесных растений, является внешняя структура коры. Внешний облик коры, как диагностический признак, имеет большое значение прежде всего для практических целей, так как по этому признаку можно определить возраст по глазомерной оценке.
Силовое взаимодействие ПРО
За счет кинетической энергии происходит удаление коры, т.е. частичное отслаивание крупных элементов в результате удара, скалывание более мелких элементов от трения цепа по поверхности, а так же превращение в пыль части коры от совместного действия удара и трения. Выделить эти процессы и исследовать их по отдельности практически невозможно, поэтому мы рассматриваем общие затраты энергии на окорку.
Рассмотрим взаимодействие цепа с корой, сделав следующие допущения: лесоматериал движется в направлении, перпендикулярном оси приводного окорочного вала по опорным валам подачи прямолинейно, параллельно своей продольной оси без проскальзывания; цеп представлен в виде набора точечных масс звеньев с шарнирной связью между ними; поверхность взаимодействия плоская; вращательное движение цепов равномерное; цепы, находящиеся в движении без взаимодействия с поверхностью, находятся в прямолинейной форме; толщина коры постоянная; дефекты коры и древесины отсутствуют.
Составим расчетную схему продольного взаимодействия цепа с поверхностью обрабатываемого объекта (рисунок 2.4). Для упрощения представим цеп как набор точечных мае с т , соединенных между собой с шагом t невесомыми нитями и вращающимся с угловой скоростью со. Расстояние от центра звена до оси вращения - Rx; расстояние от центра следующего звена до оси вращения - R2 и т.д.; R1-R2=t; h - расстояние от центра вала до обрабатываемой поверхности.
Предположительно, процесс протекает следующим образом. Цеп, вращаясь с угловой скоростью со, подходит к обрабатываемой поверхности и первое звено касается её с линейной скоростью V. Происходит косой удар под углом ах к поверхности. Если бы масса первого звена т не находилась под действием центробежной силы и звено не было бы связано с остальными звеньями, то, согласно теории удара, произошел бы обыкновенный отскок (рикошет). Угол отскока не равен углу падения и определяется величиной коэффициента мгновенного трения, который зависит от состояния шерховатости поверхности и находится экспериментальным путем. При абсолютно гладкой поверхности угол отражения равен углу падения, а при шерховатой - меньше.
В нашем случае этого не произойдет и, скорее всего, отскок произойдет по закону маятника, т.е. в обратном направлении по дуге качания. Конечно, при малых значениях угла а1 не исключен и первый вариант, но, в принципе, нас это не особенно интересует. Вопрос очень сложный и требует специального исследования. Главное, что в том и другом случае произойдет отскок массы после удара. Скорость его Vх будет равна произведению линейной скорости в момент касания с поверхностью V на коэффициент упругого восстановления кв. Нормальные (VH и vlH) и касательные (VK и vlK) составляющие этих скоростей направлены в противоположные стороны.
Точка контакта первого звена с поверхностью (I) находится на расстоянии lx =R1Sina1 от вертикали, проходящей через центр вала. Аналогично, точка касания второго звена (II) будет находиться на расстоянии /2 = R2Sina2. Масса первого звена за этот промежуток времени переместится по поверхности объекта из точки (I) в точку (I) на расстояние Іх -12 -ґ(т.е. RxSinax -R2Sina2 ), совершая работу трения.
Эта величина меньше, чем Ехр, так как R2 - Rx и а2 ах. Рассуждая аналогичным образом, приходим к выводу, что за один оборот вала цепа будет нанесен ряд ударов уменьшающейся силы от максимума в точке (І) до нуля в точке под осью вала. Общая энергия разрушения в нормальном направлении:
Расстояние между точками ударов также уменьшается. Если I2 = R2 -h2 а /2 = fa -12)- h2, то I2 -12 = 2Rt -12 (выкладки опускаем). /22 -12 = 2Rt - 3t2; I2 -12 = 2Rt - 5t2 и так далее.
Касательная составляющая линейной скорости первого звена в точке (I) VK = a Rx Cosax, а в точке О, находящейся под осью вращения v =a h. Если учесть, что h = R1- CosaY, то получится, что эти скорости равны. Отсюда следует вывод, что все звенья цепа, вступающие в контакт с обрабатываемой поверхностью, двигаются по ней с одинаковой скоростью VK равной coh.
В отсутствии скорости надвигания при следующем обороте звенья цепа ударят по тем же самым местам. При наличии скорости подачи (надвигания) U удар будет происходить с некоторым сдвигом, шагом удара е относительно предыдущих точек. Величину этого шага можно определить из основного кинематического соотношения
Если энергия в нормальном направлении полностью поглотится деформацией коры (вплоть до прессования), то энергия в касательном направлении будет востребована лишь частично. Она затратится на скалывание вдоль волокон, перемещение массы т по поверхности (контакт массы с поверхностью может и не потеряться за счет прижима центробежной силой, а если и потеряется, то через несколько мгновений после отскока восстановится и цеп будет волочиться), истирание не сколотых остатков коры и т.п. Все эти составляющие значительно меньше деформативной. Наиболее существенное из них - волочение цепа по поверхности обработки.
Сила трения при перемещении звена массой т равна mgju, где /и -коэффициент трения металла звена по древесине или коре. Энергия на горизонтальное перемещение первого звена равна mg/u 21х, второго звена - mg/j 2/2 и так далее. Общая энергия на перемещение цепа по обрабатываемой поверхности за один оборот вала.
Еп =2mgjunYjli Z (2.29) По абсолютной величине эта энергия значительно меньше, чем Ер . Остаток энергии в касательном направлении, очевидно, будет тратится на движение цепа и к процессу непосредственно окорки никакого отношения иметь не будет.
В зависимости от кинематических параметров процесса этого количества энергии может не хватить для качественной окорки, а может быть и излишним, когда производится не нужное измельчение коры. Всё зависит от конкретных условий: угловой скорости, скорости надвигания, массы рабочей части цепа, толщины коры, её физико-механических свойств и т.п. Идеальный случай, это когда создаваемой цепом энергии как раз хватит для 100% окорки. Решить такой случай можно было бы аппаратом оптимизации, но для этого нужно знать свойства коры не только на сдвиг или скалывание вдоль волокон (что более или менее изучено), а и на смятие поперек волокон и удар - (что совершенно не изучено).
Методика и экспериментальная установка проведения первой группы экспериментов
Это давало достаточное количество кинетической энергии полной окорки при минимальном повреждении заболонной древесины; использовались три скорости подачи лесоматериала - и = 255, 320 и 395 мм/мин. или 0,0043, 0,0053 и 0,0066 м/с, это максимальные значения подачи горизонтального стола установки; длина заготовки лесоматериала -1м.; влажность коры свежесрубленных образцов -W=93+95%, что максимально приближено к производственным условиям; температура коры колебалась в диапазоне - 15-17 градусов Цельсия, для облегчения протекания процесса окорки; толщина коры на заготовленных лесоматериалах в среднем составляла 4 мм., подбиралась одинаковой из срединной и вершинной частей стволов деревьев для обеспечения равных условий окорки. Для проведения эксперимента по окорке были выбраны древесные породы ели и пихты, так как они являются основным сырьем Красноярского ЦБК.
Обязательным условием было принято соблюдение однократной обработки, с обеспечением качества окорки в среднем - 97% (на поверхности отсутствуют элементы корки, луба и камбия) и минимальным повреждением заболонной древесины. Это условие является необходимым на деревообрабатывающем производстве.
Учет погрешностей измерительной аппаратуры Эффективность оценки качества эксперимента находится в прямой зависимости от точности результатов испытаний. Большое количество типов измерительных приборов, каждый из которых обладает определенным набором элементов настройки, соединительных проводов, методов перерасчета снятых показаний в соответствии с формулами, приводимыми в технических описаниях прибора, может привести к погрешностям.
Расчет погрешностей при проведении эксперимента произведен по методике [77, 84], составленной на основании теории ошибок.
Согласно данной методике, предельная относительная погрешность измерения какого-либо параметра слагается из суммы предельных относительных погрешностей источников ошибок.
Теорией ошибок доказано, что в качестве вероятной ошибки измерений может быть принята величина, равная 1/3 от общей предельной ошибки измерений.
Опытные замеры производились тремя наблюдателями в следующем порядке: Замерялась толщина коры, образец крепился на установке и включался двигатель рабочего вала. Визуально по шкале прибора фиксировалась величина мощности холостого хода, после чего первый наблюдатель включал механизм подачи и с помощью секундомера отмерял начало и конец процесса окорки. Второй - отмечал величину мощности рабочего хода. В это время третий наблюдатель измерял число оборотов (частоту вращения) окорочного вала используя магнитный, ручной тахометр типа ИО-30. Острие наконечника шпинделя тахометра прижималось к лунке в центре торца вращающегося вала и снимались показания по шкале тахометра в момент холостого и рабочего хода. Данный измерительный прибор имеет шкалу, рассчитанную на три диапазона измерений: от 3,14 до 31,4; от 31,4 до 314; от 314 до 3140 с"1.
Минимальное количество наблюдений необходимое для получения достоверных результатов определялось по результатам предварительного, установочного эксперимента и аналогично находилось по формулам 3.2.2.
После статистической обработки (Приложение А) были получены значения минимально необходимого количества экспериментов в точке (кратность). Во всех случаях она не превышает 12 и поэтому было решено провести по 12 параллельных опыта. Это дало показатель точности 95%. Всего было проведено 432 наблюдения. Удельная работа окорки рассчитывалась, как произведение длительности процесса (сек) на разницу показаний рабочего и холостого ходов (Вт), отнесенное к объему снятой коры (м ). Длительность процесса рассчитывалась как отношение длины образца к скорости надвигания.
На созданной нами ранее первой экспериментальной установке был недостаток - малые скорости подачи, что вело к лишней затрате энергии и сильному измельчению коры. Для определения силовых (энергетических) показателей цеповой окорки с промышленными подачами была изготовлена экспериментальная установка на базе круглопильного тарного станка ЦА-2 (рисунок 3.9). С данного оборудования были сняты пильный вал, верхняя часть механизма надвигания, противовыбрасыватель и ограждение. На станину в свою очередь были установлены электродвигатель постоянного токаи окорочный вал с закрепленными на нем цепами. Из швеллера были изготовлены: консоль для крепления электродвигателя и две сборные стойки под подшипниковые опоры окорочного вала. На стойках закреплены опоры под самоустанавливающиеся подшипники вала. Для фиксирования окоряемого лесоматериала изготовлен ребристый прижимной валец гравитационного действия.
Определение скорости подачи при наименьшей удельной работе 123 окорки ПРО
Предлагаемый способ окорки ЦРО относится к поштучной обработке лесоматериала, что позволяет целенаправленно воздействовать напроцесс окорки каждого бревна с учетом их индивидуальных особенностей. Применением ПРО вполне реализуется принцип универсального средства, одинаково пригодного для обработки как тонкомерной, так и крупномерной древесины любых геометрических форм. При этом создаются благоприятные условия, обеспечивающие высококачественную окорку бревен любых пород с минимальными потерями древесины при любых температурах окружающего воздуха, без предварительной гидротермической обработки. Известно, что в силу особенностей физико-механических свойств древесины и коры окорка при отрицательных температурах идет медленнее и обходится значительно дороже, чем в летних условиях [36]. Это обстоятельство разумно используется предприятиями организующими окорку преимущественно в весенне-летний период. В этом случае окорка лесоматериалов в полном объеме происходит при плюсовых температурах, без затрат тепла на его оттаивание. При цеповой окорке в зимних условиях, по опыту американских лесопромышленников необходимо уменьшение скорости подачи, увеличение скорости вращения окорочного вала и установка дополнительного, второго цепа в каждый узел крепления к приводному валу.
Теоретическая производительность станка определяется его конструкцией и параметрами [8]. Производительность станка с ПРО находится в зависимости от длины и диаметра обрабатываемого лесоматериала. Увеличение производительности требует повышения скорости подачи и соответственного увеличения мощности привода. Производительность ограничивается только по условиям поштучной подачи лесоматериалов. На установках с ПРО, вполне реализуется возможность использования высокой скорости подачи, порядка до двух метров в секунду. По показателю производительности станки с ПРО могут конкурировать с установками групповой окорки. При увеличении длины бревен повышается коэффициент загрузки окорочной установки, отпадает необходимость в станках для окорки коротышей и вершин, увеличивается выход щепы. Возможности дальнейшего роста производительности ограничены допустимой скоростью вращения окорочного вала с ПРО, которая в свою очередь лимитируется по условиям допустимых инерционных нагрузок, действующих на цепы. Таким образом, преимущество оборудования с ПРО наиболее полно реализуется при обработке длинномерных бревен больших диаметров. Конструктивная простота ПРО дает многофункциональность установки: ее «гибкость» и способность к обработке бревен с различными диаметрами и геометрии ствола; возможность для одновременного проведения технологических операций окорки с удалением сучьев и ветвей поваленных деревьев.
Преимущество окорочных установок с ПРО наиболее полно реализуется при окорке древесины использующейся в целлюлозно-бумажном производстве, изготовлении топливных гранул, производстве пило продукции и древесных плит. Станки с ПРО целесообразно применять для окорки долготья с высоким качеством окорки и повышенными требованиями к качеству окоренной поверхности. Это, прежде всего бревна пиловочные, столбы линий электропередач и связи, длинномерные балансы, долготьё лиственных и хвойных пород. Трудноокоряемые бревна могут доокоряться включением дополнительной цеповой головки. Таким образом, станки с ЦРО могут быть конкурентоспособны по сравнению с ножевыми, фрезерными и роторными станками во всей области их применения. При этом можно ожидать качественной обработки бревен имеющих искривленную геометрическую форму и меньших потерь древесины при обработке трудноокариваемых бревен. Успешный опыт эксплуатации подобного окорочного оборудования как за рубежом, так и в нашей стране, подтверждает вышесказанный вывод.
Сравнительный расчет энергетической эффективности способов окорки В таблице 4.5 приведены значения удельной работы различных способов окорки. Данные показатели удельной работы способов окорки усредненные и взяты из литературы, а удельная работа цеповой окорки из результатов проведенных опытов. В последующих столбцах таблицы показаны затраты электроэнергии на окорку одной тысячи кубометров древесины и сравнительный расчет увеличения затрат по сравнению с цеповой окоркой и дополнительные затраты в денежном выражении. Значения в таблице показывают что, предлагаемый способ цеповой окорки темнохвойных пород (ель, пихта) имеет минимальные энергетические затраты по сравнению с другими способами окорки. Таким образом, цеповая окорка экономит энергетические и денежные ресурсы.
Под дополнительными затратами в денежном выражении подразумевается произведение сравнительного увеличения электрической энергии на стоимость одного киловатт-часа.
Приведенный расчет не отражает полного экономического эффекта от применения окорочного станка с ПРО.
Полученная после окорки кора не имеет примесей и не требует рубки, поэтому она может служить сырьем для лесохимической промышленности и получения удобрений в сельском хозяйстве. Тем самым, в этих отраслях сокращаются затраты на подготовку сырья для переработки.
При использовании станка с ПРО при обработки длинномерных лесоматериалов в целлюлозно-бумажном производстве отпадает необходимость в распиловке сырья на короткомерные чураки, что также сокращает затраты на подготовку сырья и увеличивает выход полезной продукции.