Введение к работе
Актуальность темы. В настоящее время крупнейшим потребителем древесины является целлюлозно-бумажная промышленность. Так, только три целлюлозно-бумажных комбината (ЦБК) в республике Карелия (в городах Кондопога, Питкяранта и Сегежа) рассчитаны на переработку трех миллионов кубометров древесины в год. При этом в России в целом потребление продукции целлюлозно-бумажной промышленности находится на низком уровне по сравнению с другими промышленно развитыми странами и имеет существенный потенциал роста. Выпуск продукции высокого качества требует, соответственно, высокой степени очистки древесины от коры. Эта операция осуществляется в настоящее время на ЦБК с использованием корообдирочных барабанов. Их производительность зависит от степени заполнения, требуемой степени очистки, физико-механических свойств древесины и других факторов.
Одним из направлений повышения эффективности использования корообдирочных барабанов является снижение потерь древесины в процессе очистки, что отвечает условиям рационального природопользования. В целом данная проблема включает в себя ряд задач, которые требуют для своего решения проведения комплексных исследований, в том числе проведения натурных испытаний. По техническим и экономическим условиям подобные испытания возможны в ограниченном диапазоне технологических характеристик, в связи с чем необходимы исследования, разработка и применение адекватных математических моделей.
Для древесины, являющейся растительным полимером, величина разрушающей нагрузки, как известно, зависит от скорости нагружения. По этой причине в целях уменьшения потерь древесины вследствие её разрушения при соударениях балансов в процессе их очистки в корообдирочном барабане необходимо достаточно полное представление о закономерностях изменения во времени сил контактного взаимодействия балансов как друг с дру-
гом, так и с корпусом барабана. При этом необходимо учитывать влияние степени заполнения барабана, жесткости его корпуса и балансов. Анализ публикаций показал, что влияние этих факторов на величину и продолжительность действия указанных сил, а значит и на величину потерь древесины специально не исследовалось. Для определения указанных сил с использованием математических моделей необходимо указывать в исходных данных жесткости контактирующих элементов. И если жесткость корпуса барабана определяется при его проектировании, то данных о жесткости подвергаемых очистке балансов, как и стандартных методик определения этих данных, в известных нам публикациях, в том числе представленных в Интернет-ресурсах, не обнаружено.
Цель исследования: совершенствование технологического процесса очистки древесины в корообдирочных барабанах с учетом новых данных о закономерностях динамического взаимодействия балансов, выявленных при исследовании их движения с применением методов численного моделирования, путем обоснования рекомендаций по ограничениям степени заполнения барабана и жесткости его корпуса.
Задачи, решение которых необходимо для достижения цели:
Обосновать выбор объекта исследования и физической модели взаимодействия балансов в корообдирочном барабане.
Составить математическое описание физической модели и выбрать алгоритм численной реализации. Проверить адекватность модели и достоверность результатов численного моделирования.
С применением построенной модели исследовать закономерности изменения сил контактного взаимодействия балансов при их соударениях в корообдирочном барабане в зависимости от степени заполнения барабана и жесткости его корпуса.
Разработать методику определения жесткости балансов с применением механических испытаний и численного моделирования.
Обосновать рекомендации по использованию выявленных закономерностей и разработанных методик.
Объект исследования: натурные образцы балансов и модель массива балансов, подвергающихся очистке в барабане.
Предмет исследования: адекватность модели и закономерности распределения сил контактного взаимодействия подвергаемых очистке балансов в зависимости от степени заполнения корообди-рочного барабана и от жесткости его корпуса.
При выполнении работы использованы методы численного моделирования (метод конечных элементов, метод конечных разностей, метод дискретных элементов), методы экспериментального определения физико-механических характеристик балансов.
Научная новизна. Для определения сил контактного взаимодействия балансов в корообдирочном барабане предложен вариант модели движения и контактного взаимодействия системы тел с повторными соударениями, в которой применен метод дискретных элементов и в которой исключено взаимопроникновение элементов за счет применения нового алгоритма решения линейной задачи дополнительности.
Обоснована методика получения количественной оценки жесткости балансов при сжатии поперек волокон в радиальном направлении.
Предложена новая методика оценки влияния степени заполнения и жесткости корпуса корообдирочного барабана на величину и продолжительность сил контактного взаимодействия балансов при их соударениях друг с другом и с корпусом барабана.
С использованием предложенной методики выявлен эффект локального увеличения силы и продолжительности соударений балансов с корпусом барабана, что уточняет рекомендации по ограничениям заполнения барабана и жесткости его корпуса.
Практическая значимость. По результатам выполненного исследования разработаны рекомендации по учету влияния степени заполнения барабана и жесткости его корпуса при совершенствовании рассматриваемого технологического процесса, которые переданы на ЗАО «Петрозаводскмаш».
Разработанные методики и результаты численного решения задач использованы в учебном процессе, в том числе по планам НИРС в Петрозаводском государственном университете.
Достоверность результатов исследования обусловлена корректным выбором численных методов, применением лицензионного программного обеспечения и подтверждена согласованностью результатов численного решения с данными экспериментов и производственных испытаний корообдирочных барабанов.
Основные результаты, выносимые на защиту:
Модель динамического взаимодействия балансов в корооб-дирочном барабане и её численная реализация.
Методика определения жесткости балансов при сжатии поперек волокон в радиальном направлении.
Закономерности изменения сил контактного взаимодействия балансов и количественные оценки влияния степени заполнения и жесткости корпуса корообдирочного барабана.
Обоснование рекомендаций по совершенствованию конструктивно-технологических характеристик корообдирочных барабанов.
Апробация работы. Основное содержание и результаты работы были представлены на следующих научных конференциях: IV междунар. научно-техн. конф. «Актуальные проблемы развития лесного комплекса» (Вологода, 2007); VIII междунар. научно-техн. конф. «Новые информационные технологии в целлюлозно-бумажной промышленности и энергетике» (Петрозаводск, 2008); VIII Всероссийский симпозиум по прикл. и пром. математике (г. Сочи - Адлер, 2007); семинары кафедры механики, кафедры целлюлозно-бумажных и деревообрабатывающих производств, научные конференции студентов и аспирантов ПетрГУ.
Работа выполнена при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (проект 08-08-00979 «Разработка эффективных методов и алгоритмов расчета механических систем с полукоэрцитивными контактами», руководители В.Н. Бакулин и Г.Н. Колесников).
Публикации по теме диссертации. Основное содержание работы представлено в десяти публикациях (с. 18-19).
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных источников и приложений. Общий объем работы 142 страницы. Список использованных источников включает 141 наименование. СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
