Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса и задачи исследования 9
1.1. Задача утилизации отходов деревопереработки 9
1.2. Свойства древесной коры 16
1.3. Брикетирование древесных отходов. Технологические процессы и оборудование 22
1.4. Существующие подходы к описанию процесса уплотнения измельченных древесных материалов 30
1.5. Выводы и задачи исследований 37
2. Теоретические исследования процесса уплотнения древесной коры при воздействии ударной нагрузки 39
2.1. Постановка задачи. Построение математической модели процесса уплотнения древесной коры под действием ударной нагрузки 39
2.2. Определение величины статического усилия прессования в зависимости от перемещения пуансона в матрице 46
2.3. Определение влияния величины ударной нагрузки на плотность получаемого брикета 54
2.4. Выводы по главе 65
3. Методика экспериментальных исследований 66
3.1. Общие положения 66
3.2. Основное оборудование и приборы 67
3.3. Методика планирования и проведения экспериментальных исследований процесса формирования брикета из древесных опилок и коры под действием ударной нагрузки 68
3.4. Методика обработки результатов экспериментальных исследований по формированию брикета 77
3.5. Методика проведения экспериментальных исследований по определению физико-механических характеристик древесных брикетов, полученных под действием ударной нагрузки 82
3.6. Методика обработки экспериментальных данных при исследовании физико-механических характеристик древесных брикетов 83
4. Результаты экспериментальных исследований 88
4.1. Исследование влияния величины ударной нагрузки на плотность брикетов 88
4.2. Исследование физико-механических характеристик брикетов из измельченной древесины 96
4.3 Выводы по главе 100
5. Технологическая часть 101
5.1 Общая часть 102
5.2 Производительность участка производства брикетов 103
5.3 Опытно-промышленный участок для производства древесных брикетов 105
5.3.1 Участок прессования 105
5.3.2. Привод виброударного пресса 106
5.3.3. Дозаторы 110
5.3.5. Измельчение сырья 115
5.3.4. Сушка сырья 117
5.4. Оценка экономической эффективности организации производства брикетов из отходов окорки 121
5.5. Выводы по главе 123
Общие выводы и рекомендации 124
Библиографический список 126
- Свойства древесной коры
- Постановка задачи. Построение математической модели процесса уплотнения древесной коры под действием ударной нагрузки
- Методика планирования и проведения экспериментальных исследований процесса формирования брикета из древесных опилок и коры под действием ударной нагрузки
- Исследование влияния величины ударной нагрузки на плотность брикетов
Введение к работе
Актуальность темы. Решение задачи комплексного использования лесных ресурсов предполагает широкое вовлечение в переработку всех видов отходов лесозаготовительного производства, в том числе древесной коры. При современном состоянии окорки древесины в лесной и целлюлозно-бумажной промышленности нашей страны ресурсы коры, пригодной для использования, составляют свыше 6 млн. м в год. Однако доля её использования в промышленности на настоящий момент незначительна.
Одним из основных способов утилизации отходов деревоперерабаты-вающей промышленности является их энергетическое использование. Известно, что с целью рационального использования древесного сырья можно применять брикетирование. Брикеты из древесных отходов могут быть использованы в качестве бытового и промышленного топлива, организация производства брикетов является потенциальным источником прибыли для лесопромышленного предприятия. Но при этом процесс производства топливных брикетов из древесной коры изучен недостаточно.
Опыт различных областей промышленности показывает, что эффективным способом уплотнения сыпучих материалов является применение воздействий динамического, в частности, ударного, характера. Процесс уплотнения измельченной древесной коры при ударном воздействии в научной литературе не освещен, что делает невозможным подобрать параметры работы и разработать рациональные конструкции установок для уплотнения древесной коры с применением ударных нагрузок. Таким образом, исследование процесса уплотнения древесной коры и разработка технологии производства из нее брикетов, является актуальной задачей.
Диссертационные исследования выполнялись в рамках Перечня Приоритетных направлений развития науки, технологий и техники в Российской Федерации, утвержденного Президентом РФ 21 мая 2006 г. Пр-843 (пункт «Рациональное природопользование»).
Часть результатов работы получена в рамках НИР по государственному контракту П1209 по ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России на 2009-2013 годы», по направлению «Переработка и утилизация техногенных образований и отходов» в рамках мероприятия 1.3.1.
Цель работы. Разработка технологии производства брикетов из древесной коры под действием нагрузки ударного характера.
Объектом исследований является уплотняемая в брикеты древесная кора, размещенная в закрытых матрицах прессов с ударной нагрузкой.
Предметом исследований являются процесс уплотнения древесной коры, режимы работы и конструктивные параметры прессового оборудования.
Научная новизна. Построенная математическая модель процесса уплотнения объема древесной коры под действием ударной нагрузки, учитывающая нелинейный характер сопротивления обрабатываемого материала уплотнению, развивает теорию уплотнения древесных материалов и позволяет определить рациональные режимы работы прессового оборудования при регулировании величины плотности вырабатываемых брикетов в соответствии с потребительскими требованиями, предъявляемыми к конечной продукции.
Значимость для теории и практики. Разработанная математическая модель процесса брикетирования древесной коры развивает теорию уплотнения измельченных древесных материалов. Результаты работы позволяют расширить объем перерабатываемых отходов окорки, обосновать рациональные параметры технологического процесса, дают возможность совершенствовать конструкторские решения при проектировании прессового оборудования. Разработанная опытная установка позволяет с достаточной точностью получать данные, характеризующие процесс уплотнения древесной коры под действием нагрузки ударного характера.
Результаты работы могут быть рекомендованы к использованию производственными, проектными, научно-исследовательскими и учебными организациями лесной отрасли.
Достоверность выводов и результатов исследований обеспечена: применением методов математической статистики; проведением экспериментальных исследований в лабораторных и производственных условиях и подтвержденной адекватностью полученных моделей за счет удовлетворительной сходимости экспериментальных и теоретических данных.
Апробация работы. Основные положения диссертации и отдельные ее разделы докладывались и обсуждались на международных научно-практических конференциях: «Пути и опыт модернизации оборудования лесопромышленного комплекса», СПб, 2010, «Совершенствование и повышение надежности оборудования предприятий целлюлозно-бумажной и лесоперерабатывающей промышленности», СПб, 2011, «Леса России в
XXI веке», СПб, 2010; а также на научно - технических конференциях лесо-инженерного факультета Санкт-Петербургской государственной лесотехнической академии имени СМ. Кирова в 2010-2011 гг. На защиту выносятся следующие положения:
Математическая модель процесса уплотнения объема древесной коры, устанавливающая зависимость степени уплотнения обрабатываемого материала от величины ударной нагрузки (импульса) и раскрывающая нелинейный характер сопротивления среды деформированию.
Установленные на основе реализации математической модели соотношения, определяющие параметры импульсно-силового воздействия на обрабатываемый материал, требуемые для формирования брикета с заданной плотностью при регулируемых геометрических параметрах брикета.
Результаты лабораторных испытаний прочностных свойств брикетов из древесной коры, подтверждающие возможность их изготовления под действием ударной нагрузки.
Публикации. Материалы диссертации опубликованы в восьми печатных работах, включая две статьи в журналах, рекомендованных ВАК РФ для публикации материалов кандидатских и докторских диссертаций, и один патент на полезную модель. Результаты исследований отражены в научно-технических отчетах по НИР.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, основных выводов и рекомендаций, списка литературы. Общий объем работы 135 с. Диссертационная работа содержит 30 рисунков, 33 таблицы. Список литературы содержит 98 источников.
Свойства древесной коры
Исследованию физико-механических свойств древесной коры посвящено достаточно много научных работ; среди них отметим [30, 31, 38 ].
При окорке древесины 70-90% от образуемых отходов составляет кора [30 ]. В то же время в коре деревьев различают несколько слоев (корка, луб, камбий), физико-механические свойства которых резко различаются между собой.
Возможности использования отходов окорки определяются свойствами коры. Наиболее важными показателями при этом являются толщина коры, влажность, химический состав, теплотворная способность, механическая прочность, плотность и свойства, характеризующие кору как сыпучий материал.
Толщина коры зависит от породы и диаметра ствола дерева, возраста, условий произрастания, а также месторасположения коры на дереве.
Влажность коры на свежесрубленном дереве зависит от времени рубки и месторасположения коры по высоте дерева, условий произрастания и транспортировки. У сосны влажность коры зависит также от места выреза из хлыста: влажность коры комлевых бревен в среднем на 75 % ниже влажности коры вершинных бревен и на 64 % влажности срединных бревен [30]. Средние значения влажности коры, луба и корки для свежесрубленной древесины некоторых пород приведены в табл. 1.3.
Химический состав коры значительно отличается от химического состава древесины, в коре больше экстрактивных веществ, растворимых в горячей воде. Данные, характеризующие химический состав коры и древесины ели, березы и сосны, приведены в табл. 1.4.
Из данных табл. 1.4 видно, что элементарный химический состав коры практически не зависит от породы древесины; при этом отметим, что зольность коры несколько выше зольности древесины.
В табл. 1.3 представлена теплотворная способность коры в зависимости от ее влажности. Данные табл. 1.5 дополнительно иллюстрирует график на рис. 1.5.
Вследствие неоднородности строения коры и различий в толщине корки и луба ее механические свойства даже для одной и той же породы древесины колеблются в больших пределах. Большинство механических свойств коры находится в прямой зависимости от ее плотности, хотя коэффициент корреляции при этом не является высоким [39].
В СПбГЛТА им. СМ. Кирова проводились исследования по определению физико-механических свойств сухой коры некоторых пород древесины (табл. 1.6, табл. 1.7). В работе [40] отмечено, что при влажности менее 16 % кора представляет собой очень хрупкий материал, который легко ломается вдоль и поперек волокон, при влажности более 30 % кора становится пластичной.
Постановка задачи. Построение математической модели процесса уплотнения древесной коры под действием ударной нагрузки
Уплотняемая древесная масса представляет собой многофазную систему, состоящую из твердой фазы - частиц древесной коры со связанной влагой, жидкой - свободной влаги, а также газообразной - воздуха. Общие принципы уплотнения измельченных материалов обобщаются понятием консолидации, характеризующим сущность процесса объединения элементов в целые тела, придания формы и способности ее сохранения [53].
В соответствии с поставленными задачами исследований, для описания процесса формирования брикета из древесной коры под действием ударной нагрузки необходимо построить математическую модель данного процесса.
Строгое описание явлений, происходящих при воздействии ударных нагрузок на измельченные древесные материалы, сложно. Это обусловлено необходимостью учесть многие факторы, влияющие на данный процесс, оказывающие, так или иначе, влияние не только на параметры работы оборудования, но и на качество получаемой продукции, а именно - на плотность готовых брикетов.
Для качественной оценки процесса уплотнения материала используем модель, представленную на рис. 2.1 [54]. Использование технического приближенного решения в данном случае оправдано главным образом тем, что рассматриваемый материал не обладает большой стабильностью механических свойств, и использование точных методов решения, значительно усложняющих вычисления, не дает существенного увеличения точности.
В этой модели степень уплотнения (изменение объема) характеризуется перемещением пуансона 1 в матрице 2 в результате падения на него груза (на рис. 2.1 условно не показан) массой Пуансон 1 представляет собой абсолютно твердое недеформируемое тело цилиндрической формы.
Усилие сопротивления F перемещению пуансона в матрице нелинейно зависит от величины перемещения Ау. Закон изменения силы сопротивления перемещению F(y) от величины указанного перемещения должен соответствовать экспериментально установленной зависимости степени уплотнения от значения статического усилия, которая, как правило, имеет характер кривой, представленной на рис. 2.2. По мере увеличения статического усилия степень уплотнения должна монотонно увеличиваться, асимптотически стремясь к некоторому предельному значению.
В соответствии с описанной схемой процесса уплотнения считается, что до удара пуансон под действием статической силы Рст уже переместился в матрице на величину Ау0. Это состояние считается исходным при последующем рассмотрении действия удара (рис. 2.1, а).
При сохранении действия статического усилия по поршню наносится однократный удар, удар полагаем мгновенным.
Допущение о мгновенности удара предполагает, что в момент удара пуансон мгновенно приобретает скорость, которая затем из-за действия сил сопротивления монотонно уменьшается, вплоть до нуля.
Движение тел 1 и 2 после удара описывается абсолютными координатами уі и у2 соответственно, начало которых совмещено с нижними торцами каждого из тел в положении равновесия (после приложения статической нагрузки), а направление совпадает с направлением усилия уплотнения (рис. 2.1, б).
Таким образом, для установления величины перемещения пуансона в матрице (и, очевидно, степени уплотнения материала брикета) под действием ударной нагрузки, необходимо располагать зависимостью, связывающей аналогичное перемещение при воздействии на пуансон статического усилия.
Методика планирования и проведения экспериментальных исследований процесса формирования брикета из древесных опилок и коры под действием ударной нагрузки
Планирование эксперимента является локальным методом исследования факторного пространства и используется как для задач оптимизации, так и для интерполяции многофакторных процессов.
Под планированием эксперимента обычно понимают [61, 62, 63] процедуру выбора числа и условий проведения опытов, необходимых и достаточных для решения поставленной задачи с требуемой точностью.
Существуют активные и пассивные эксперименты. В случае, когда исследователь наблюдает за каким-то неуправляемым процессом, не вмешиваясь в него, или выбирает экспериментальные точки интуитивно, эксперимент считается пассивным. Эксперимент, при котором исследователь применяет статистические методы перед постановкой опытов, разрабатывает схему эксперимента, а также активно управляет условиями проведения опытов, принимая решение о дальнейших действиях, называется активным.
Основные преимущества активного эксперимента связаны с тем, что он позволяет:
- минимизировать общее число опытов;
- варьировать всеми переменными и оптимально использовать факторное пространство;
- многочисленные мешающие факторы превращать в случайные величины;
- выполнять исходные предпосылки регрессионного анализа;
- использовать математический аппарат, формализующий действия экспериментатора.
При рассмотрении объема исследований различают два вида параметров: входные управляемые и выходные параметры. Связь между ними характеризуется математическими моделями. Кроме этого, на объект воздействуют неуправляемые факторы.
Основные факторы, характеризующие процесс формирования брикета из измельченных отходов окорки в закрытой матрице под действием ударной нагрузки при экспериментальных исследованиях подразделяем на контролируемые, управляемые и выходные.
Контролируемые независимые параметры: внутренний диаметр прессформы, порода древесины, отходы окорки которой использовались при проведении исследований, влажность и температура экспериментального материала, его фракционный состав.
Управляемые независимые параметры: импульс приложенной внешней нагрузки, начальная плотность обрабатываемой среды, масса обрабатываемой среды.
Выходные параметры: плотность полученных брикетов. Выбранные выходные параметры удовлетворяют требованиям эффективности, универсальности, имеют физический смысл, выражаются числом и легко вычисляются.
На основании анализа литературных источников по планированию эксперимента [61, 64] было принято решение о проведении многофакторного эксперимента. В этом случае опыты планируются сериями, однако значения всех факторов изменяются от опыта к опыту. Проведение многофакторных опытов значительно сокращает время и затраты труда на проведение эксперимента, позволяет быстро и точно получить уравнение регрессии.
Теоретические исследования процесса формирования брикета из отходов окорки под действием ударной нагрузки, а также наличие априорной информации по этому вопросу, показали, что плотность получаемого брикета в зависимости от влияющих факторов при определенных условиях носит нелинейный характер. Поэтому с целью получения математической модели был выбран полный факторный эксперимент (ПФЭ) активный, управляемый, интерполяционный, трехуровневый, трехфакторный, отвечающий условиям симметричности и ортогональности.
Из литературных источников и теоретических исследований было сделано предположение, что основное влияние на величину конечной плотности брикета оказывают следующие факторы: величина внешнего импульса, масса обрабатываемой среды и начальная плотность обрабатываемой среды.
На основании технической информации и конструктивных особенностей экспериментальной установки были выбраны основные уровни факторов и интервалы их варьирования (табл. 3.2).
При определении влажности экспериментального материала использовано следующее допущение: влажность полученных из цельной древесины опилок равна влажности самой древесины.
Для определения влажности исходной древесины использовался ди-элькометрический (бесконтактный) метод, основанный на зависимости диэлектрической проницаемости среды от влажности. Основным процессом, происходящим в любом диэлектрике под действием электрического ПОЛЯ, является поляризация. О явлениях, связанных с поляризацией диэлектрика, можно судить по величине диэлектрической проницаемости.
Абсолютно сухая древесина является хорошим диэлектриком, поэтому даже незначительное увлажнение вызывает резкое изменение ее диэлектрических свойств. Измеряемой величиной при этом является полное сопротивление емкостного первичного преобразователя (емкостного датчика).
Измерения производились с помощью влагомера УЭБИВ-02 М по методике, изложенной в [65] с учетом исследований изложенных в работе.
Влагомер УЭБИВ-02 М измеряет влажность в диапазоне от 0 до 30 %, толщина контролируемого слоя до 100 мм. Погрешность измерений 0,5%.
Влажность древесины составляла 10 % и контролировалась с точностью до 0,5 % по методике, изложенной в [66]. Влажность коры составляла также порядка 10 % и определялась весовым способом [66].
Отбирались опилки и частицы коры фракцией от 5 до 0,25 мм. Сортировку частиц проводили на лабораторном сепараторе. Фракционный состав определялся на лабораторном виброанализаторе 029 М. Фракционную чистоту определяли по методике [67].
Для проведения исследований процесса формирования брикета под действием ударной нагрузки использовалась экспериментальная установка со спроектированной автором дополнительной оснасткой; схема установки приведена на рис. 3.1.
К стальной плите 40 с отверстием в центре приварена скоба 38, фиксирующая перемещения опоры 37 в плоскости плиты 40, устойчивость плиты 40 обеспечивают прикрепленные к ней швеллеры 41. К скобе 38 крепится прессформа 32 с внутренний диаметром 50 мм. Деревянный короб размещается на плите 40 и соединяется со стойками 36, жестко связанными с плитой 40 с помощью винтов 39, посредством болтов 33. В верхней части короба имеются ложементы 6, в которых размещается барабан, состоящий из полуосей 3, 4, соединенных трубой 5. Канат 12 с одного конца крепится к барабану с помощью накладки 1 и винтов 2. Стержень 21, обеспечивающий совместное перемещение стальных грузов 26, 27, прикреплен к свободному концу каната 12 посредством болта 24. При повороте штурвала 9, связанного с полуосью 3 винтом 11, канат 12 наматывается на тру бу 5 и происходит вертикальное перемещение грузов 26, 27. Размещенная в коробе втулка 17 препятствует возможному смещению траектории движения системы грузов от геометрического центра короба, вызванному неравномерным наматыванием каната 12 на трубу 5 по длине самой трубы. При необходимости зафиксировать систему грузов в верхней либо нижней части короба используются стопоры 28.
Исследование влияния величины ударной нагрузки на плотность брикетов
Эксперименты были проведены согласно методике проведения экспериментальных исследований процесса формирования брикета из отходов окорки, изложенной в главе 3. Результаты экспериментов по уплотнению опилок и коры сосны при однократном приложении ударной нагрузки приведены в табл. 4.1 и табл. 4.2 соответственно.
В соответствии с методикой обработки экспериментальных данных, описанной в главе 3, был проведен регрессионный анализ предложенной в этой же главе модели (формула 3.4).
Оценка параметров выбранной модели проведена методом наименьших квадратов на ПЭВМ с помощью пакета программ MS Excel.
Значимые коэффициенты уравнения регрессии для коры и опилок сведены в табл. 4.3.
Проверка однородности дисперсий и воспроизводимости опытов проводилась по критерию Кохрена. Расчетные значения критерия Gp оказались меньше табличных (G-f).
Проверка значимости коэффициентов уравнения регрессии осуществлена по критерию Стьюдента. По ее результатам коэффициенты be, b8, b9 для коры и для опилок признаны незначимыми.
Проверка адекватности регрессионной модели (позволяющая установить, будет ли построенная модель предсказывать значения отклика с той же точностью, что и результаты эксперимента) осуществлялась с помощью F-распределения. Полученные значения для опилок Fp = 0,0616 и для коры Fp = 0,0827 оказались меньше табличного значения Fp = 0,2. Это позволяет сделать вывод, что гипотеза об адекватности принимается и математическая модель может быть использована для описания процесса уплотнения.
Таким образом, квадратичная регрессионная модель достаточно точно описывает процесс формирования древесного брикета под действием ударной нагрузки при соблюдении тех же условий и параметров, при которых проводились представленные в работе эксперименты.
