Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Состояние вопросав области измельчения древесного сырья 14
1.1. Ресурсы древесного сырья и его характеристика 14
1.2. Основные направления использования древесного сырья 22
1.3. Оценка качества щепы и основные требования к ней 23
1.4. Машины для измельчения древесины на щепу 32
1.5. Технологические процессы переработки древесного сырья на щепу 44
1.6. Анализ режимов резания древесины на щепу 50
1.7. Выводы и задачи исследований 64
Глава 2 Теоретические исследования процесса резания древесины на щепу с приме нением коротколезвийных резцов 69
2.1. Исследование процесса формирования частиц щепы при резании древе сины резцами. Виды резания и их сравнительные характеристики 69
2.1.1. Основные предпосылки механики образования частиц щепы при резании древесины коротколезвийньши резцами 69
2.1.2. Механическая модель процесса элементообразования щепы 71
2.1.3. Определение толщины щепы в зависимости от вида и условий резания 75
2.1.4. Определение силы резания в дисковых многорезцовых рубильных машинах 82
2.1.5. Анализ влияния конструкции резца на механику образования щепы и силу резания 85
2.1.6. Влияние длины режущей кромки резца на толщину щепы 88
2.2. Обоснование технологических параметров механизмов резания рубильных машин нового класса 91
2.3. Вопросы теории и расчета конструкции режущих элементов для многорезцовых рабочих органов дисковых рубильных машин 118
2.3.1. Выбор и обоснование конструкции резца 118
2.3.2. Определение характера износа резцов. Методика расчета потребности в резцах и режимы их эксплуатации 125
2.4. Методика расчета дисковых многорезцовых рубильных машин 136
Глава 3 Исследование условий подачи древесины и анализ причин образования по терь щепы в дисковых рубильных машинах 145
3.1. Анализ процесса подачи древесины в зону резания рубильной машины 145
3.2. Причины образования потерь древесного сырья при его измельчении в рубильной машине 166
Глава 4 Экспериментальные исследования процесса резания древесины на щепу коротколезвийньши резцами и промышленные испытания разработанного оборудо вания 174
4.1. Методы и средства исследований 174
4.2. Результаты экспериментальных исследований 193
4.3. Результаты промышленных испытаний новых рубильных машин 225
Глава 5 Разработка перспективных моделей рубильных машин для измельчения древесного сырья 236
5.1. Многорезцовые машины с расширенными технологическими параметрами 236
5.2. Малоэнергоемкие ножевые рубильные машины 249
5.3. Рубильные машины для измельчения древесины и очистки щепы 257
Глава 6. Разработка ресурсосберегающих технологических процессов производства щепы на базе нового оборудования 266
6.1. Технологические линии для производства щепы из низкокачественной древесины 266
6.2. Технология переработки кусковых древесных отходов на щепу 282
6.3. Режимы работы вспомогательного оборудования 284
Глава 7. Создание агрегатного оборудования для переработки древесины на щепу и пилопродукцию в едином технологическом процессе 289
7.1. Передвижная система машин для комплексной переработки древесины 289
7.2. Стационарное оборудование для комплексной переработки древесины 299
7.3. Малогабаритная техника для предприятий лесопаркового хозяйства...304
Глава 8 Технико-экономическая оценка результатов исследований 309
Основные выводы и рекомендации 313
Литература
- Основные направления использования древесного сырья
- Основные предпосылки механики образования частиц щепы при резании древесины коротколезвийньши резцами
- Причины образования потерь древесного сырья при его измельчении в рубильной машине
- Результаты экспериментальных исследований
Введение к работе
В диссертационной работе рассмотрена актуальная проблема, состоящая в совершенствовании процесса переработки низкокачественной и мягколиственной древесины и в особенности крупномерной, а также древесных отходов на технологическую щепу на базе ресурсосберегающих технологий, в основе которых состоит процесс измельчения древесины в рубильных машинах с многорезцовыми и ножевыми рабочими органами, позволяющие существенно повысить эффективность производства. Разработанная передвижная система машин позволяет вовлекать в производство и древесину зараженную радионуклидами, пораженную жуком-короедом, а также сухостой, горельник, бурелом.
Ресурсосберегающие технологии измельчения древесины на щепу включают операции по подаче и резанию древесины, подготовке и эксплуатации режущего инструмента и предполагают: 1) экономию древесного сырья, 2) снижение металл о- и энергоемкости процесса, 3) сокращение расхода режущего инструмента, 4) снижение численности обслуживающего персонала, 5) уменьшение количества оборудования.
Актуальность проблемы. Потенциальные лесные ресурсы нашей страны огромны и составляют около 82 млрд.м3, в т.ч. спелых и перестойных лесонасаждений 44 млрд.м3, при этом расчетная лесосека составляет 500 млн.м3. В настоящее время используется 24 % лесосеки, а доля использования ее годичного прироста не превышает 18 %. Лесонасаждения видоизменились по качественному составу. Кроме сухостоя, ветровалов, горельника и пр. появились лесные делянки зараженные радионуклидами (3-5 млн.га), а в промышленно развитых регионах уже преобладают низкокачественные и мягколиственные насаждения. Указанное сырье требует незамедлительного использования с целью обеспечения экологической безопасности в регионах. Дополнительно к этому в лесозаготовительной промышленности образуется около 40 % отходов, а в деревообрабатывающей отрасли объем отходов ко 5 леблются в пределах 10...65 %. Древесные отходы имеются и на других предприятиях, используемых древесину.
Приоритетным направлением в использовании вышеуказанного сырья является его химическая и химико-механическая переработка. Для этих процессов, а также для древесноплитного производства, в качестве сырья применяется древесина в измельченном виде, в основном, это технологическая щепа. Кроме этого, измельченная древесина используется в строительстве (наполнитель различных строительных блоков), как топливо в виде брикетов и для выработки древесного газа. Измельченная древесина производится на лесосеке, на лесных складах, биржах сырья, в цехах лесопиления и деревообработки.
Существующие технологические процессы и оборудования по производству измельченной древесины малоэффективны и включают ряд вспомогательных трудоемких операций (сбор и складирование сырья, разделка сырья на мерные отрезки, сортировка его и подача в цех на измельчение). Затраты на эти операции составляют 65 - 75 % от общих затрат. Особенно это характерно при измельчении крупномерной древесины. Необходимость выполнения вспомогательных операций вызвана техническими возможностями оборудования, используемого для измельчения древесного сырья. Например, рубильные машины, применяемые для измельчения древесины диаметром до 70 см и длиной до 3 м, имеют мощность приводного электродвигателя до 1600 кВт, при производительности до 200 пл.м /ч. На лесосеке измельчать низкокачественную крупномерную древесину, из-за отсутствия передвижных энергомодулей требуемой мощности, не представляется возможным. Производить на лесосеке раскряжевку и раскалывание древесины крупных размеров экономически не выгодно. Используемые рубильные машины характеризуются большими динамическими нагрузками, не обеспечивают нормальных условий работы обслуживающего персонала (уровень шума и звукового давления, запыленность превышают допустимые нормы), а качество щепы не в полной мере соответствует требованиям стандарта из-за большого разброса геометрических размеров ее частиц и их формы.
Работа выполнялась в ЦНИИМЭ в рамках отраслевых программ Мин-леспрома, а отдельные ее разделы по программам ПСНТ в области комплексной переработки древесного сырья (1979 — 1990 гг. № Гос. регистрации: 78058076, 80058933, 8103805, 81038018, 81003818, 018500037124, 01860039936, 01860039959, 01860089618, 01860089627).
Цель работы - повышение эффективности процесса переработки древесины на базе разработки научно-технологических основ и методологии создания ресурсосберегающих технологий измельчения древесины на щепу в рубильных машинах с многорезцовыми и ножевыми рабочими органами.
Объекты и методы исследований. Объектами теоретических исследований были:
а) процесс резания древесины на щепу коротколезвийными резцами и ножами;
б) методика построения механизмов резания рубильных машин нового типа;
в) условия подачи и режимы работы оборудования.
Экспериментальные исследования проводились в лабораторных условиях на специально созданном оборудовании. Промышленные эксперименты выполнялись на предприятиях лесного комплекса на натурных образцах машин и внедренных технологических процессах с использованием разработанных методик исследований и применением методов электротензометри-рования. Результаты исследований обрабатывались методами математической статистики с помощью ЭВМ.
Научная новизна работы:
- разработанное новое направления в области повышения эффективности производства щепы отличается возможностью достичь: а) резкого снижения силовых параметров процесса резания древесины в рубильных машинах, б) улучшения качества щепы и увеличение ее выхода, в) улучшения эр 7 гономических условий работы и упрощения технологии переработки древесины;
- дальнейшее развитие теории резания древесины на щепу коротколез-вийными резцами (полузакрытый вид резания), отличается возможностью прогнозирования, развития и создания более совершенного оборудования передвижного и стационарного исполнения для измельчения древесного сырья;
- теоретическое и экспериментальное обоснование многорезцовых механизмов резания древесины на щепу, отличающееся возможностью на стадии проектирования оценить эффективность выбранных конструкций рубильных машин;
- математические модели построения многорезцовых механизмов резания отличаются возможностью вести инженерные расчеты основных конструктивно-кинематических и эксплуатационных параметров рубильных машин на стадии создания новых моделей;
- в отличие от существующих представлений доказана возможность существенного снижения силовых показателей ножевых рубильных машин и повышения эффективности их работы при измельчении кусковых отходов благодаря предложенной кинематике процесса резания и подачи древесины;
- выявленные технологические причины образования потерь древесного сырья в процессе производства щепы и установленные аналитические зависимости этих потерь для разных условий подачи и резания древесины, отличаются возможностью прогнозировать степень уменьшения объема этих потерь;
- изучение характера износа режущего инструмента рубильных машин дает возможность устанавливать режимы его подготовки и эксплуатации для зимних и летних условий работы при измельчении древесины разных пород и является основой для разработки нормативно-методических рекомендаций по расходу резцов на заданную программу работы;
- исследования условий подачи древесного сырья в зону резания рубильных машин отличаются возможностью вести расчеты силовых и конст 8 руктивных параметров загрузочных устройств в зависимости от вида сырья и позволяют повысить производительность машин и установить реальные значения коэффициентов загрузки и использования машин;
- обоснование и разработка малоотходных ресурсосберегающих технологических процессов отличаются возможностью организовывать эффективные производства переработки древесины на лесных складах и биржах сырья предприятий лесного комплекса в зависимости от объема измельчаемой древесины и назначения вырабатываемой щепы;
- определены области использования результатов исследования и обоснованы перспективные технические предложения по созданию процессов и оборудования, отличающиеся возможностью организовывать новые технологии для комплексной переработки древесного сырья с получением в едином технологическом цикле щепы и пиломатериалов.
Новизна технических решений, принятых по результатам исследований подтверждена 43 патентами и авторскими свидетельствами на изобретения.
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждена множеством экспериментов, производственной проверкой опытных образцов машин, серийных машин и технологий в реальных условиях эксплуатации на предприятиях лесного комплекса, а также сходимостью результатов аналитических и экспериментальных данных в пределах 86 - 97 %.
Практическая и научная значимость работы. Установлены закономерности процесса образования щепы при резании древесины резцами, процесса построения механизмов резания рубильных машин и процесса создания оптимальных условий подачи древесины, адекватно отражены в математическом аппарате, численных расчетах и анализе и позволяют решать комплекс задач по выбору и обоснованию конструктивно-технологических режимов рубильных машин, а также дают возможность прогнозировать техническое развитие рубильной техники. Разработанные положения углубляют теорию резания древесины на щепу с применением коротоколезвийных резцов, расширяют представление о методах конструирования рубильных машин и являются основой при создании перспективных конструкций машин, обеспечивающих высокое качество вырабатываемой щепы, снижение металлоемкости и мощности процесса, улучшение условий труда обслуживающего персонала.
Практическая значимость заключается в разработке методологии создания новых механизмов резания древесины на щепу и технологических процессов и рекомендаций по режимам эксплуатации рубильных машин, которые могут быть использованы при проектировании новых конструкций машин и создании малоотходных производственных процессов измельчения древесины, позволяющих существенно повысить эффективность за счет упрощения технологии, существенного снижения мощности процесса, улучшения условий труда, повышения выхода и качества щепы, снижения расхода инструмента. Экономический эффект от использования результатов исследований составляет 10797,64 тыс.руб в ценах 1991г. Широкое внедрение ресурсосберегающих технологий измельчения древесины подтверждают эффективность результатов исследований диссертационной работы.
Научные положения, представленные к защите:
1, Концепция решения проблемы измельчения древесного сырья и в особенности крупномерного как на нижних лесных складах, биржах сырья так и на лесосеке, базирующаяся на принципе ресурсосбережения и получения высококачественной щепы.
2, Методология построения эффективных многорезцовых и ножевых механизмов резания и расчета основных параметров рубильных машин и создания перспективных моделей машин с регулируемой производительностью и очисткой щепы.
3, Новый подход к оценке процесса формирования частиц щепы при полузакрытом виде резания на основе оценки качества щепы и степени износа резцов, позволяющий снизить потери древесного сырья и установить эффективные режимы работы рубильных машин в разных условиях их эксплуатации. 4. Обобщенные математические модели процесса подачи древесины в зону резания рубильных машин и рекомендации по совершенствованию конструкций загрузочных механизмов.
5. Методика и результаты экспериментальных исследований и промышленных испытаний по оценке эффективности применения разработанных механизмов резания при создании рубильных машин нового класса.
6. Методика построения и рекомендации по применению технологических процессов переработки древесины с учетом объема измельчаемой древесины и качества вырабатываемой щепы.
7. Обоснованные новые технические решения рубильных машин, технологические и конструкторские рекомендации, позволяющие обеспечить высокое качество измельченной древесины в непрерывном цикле процесса переработки, а также оборудование: а) разработанное, выпускаемое и внедренное; б) разработанное и подготовленное к серийному выпуску; в) новые разработки на уровне экспериментальных образцов и изобретений.
Реализация результатов работы. Результаты работы использованы:
- рядом НИИ и СКВ (НИИЦмаш, г. Петрозаводск; СПКТБ, г. Кострома;
СКБ "Брянсктрансмаш", ВНИИгидролиз, ЦНИИМЭ, "УкрПКТИлеспром", г. Ивано-Франковск; АО ПКТИЛьвовдревпром; ВНИИинструмент; НЛП "Про млестехнологии", г. Зеленоград; НПВП "Лестехника", г. Химки);
машиностроительными заводами: НПО "Петрозаводскбум-мапГ(МРГМ-01, (МРР8-50ГН), АО "ГМЗ", г. Нижний Новгород (резцы РМГ-1), АО "РАМА", г. Рославль (МРПГ-3; РГМ-1, СФБГ-1), АО "РЕМЕЗ", г. Ла-кинск (РМГ-1, СФБГ-1); п/я в/ч 44535 г. Брянск (МРГМ-5, КАНТ-2М, УПФП-1, ММПД-1); КПЗДИ, г. Каменец-Подольск (РГМ-1); АО "Черновицкий РМЗ"( МРБ-2А, УРМ-10, РМГ-1) и др.;
- внедрены на предприятиях лесного комплекса: АООТ "Волгоградский рейд", ПО "Львовдрев", АО "Собинский ЛК", Болдерайский ГПДП, г. Рига,
АО "Костромской ФК", Измаильский ЦКЗ, Мантуровский БХЗ и ряд других. Часть результатов работы оформлена в виде курса лекций для ИПК Минлеспрома. По материалам работы разработаны и внедрены в практику «Руководство-справочник по производству технологической щепы в леспромхозах» и «Нормы расхода режущего инструмента и методические указания для расчета потребности в нем».
На основании результатов исследований и при участии автора разработаны и сданы на серийное производство: рубильные машины нового класса -МРР8-5-ГН (МРГМ-01), МРД-3, МРГМ-5, МРПГ-3, МРБ-2А, МРГМ-20 (готовится к выпуску); инструмент РМГ-1, многофункциональные машины для получения на лесосеке пилопродукции и щепы в едином потоке - КАНТ-2М, УПФП-1М; машины для переработки маломерных древесных отходов -ММПД-1, СДУГ-1, устройство и технология для подготовки бревен к распиловке с получением щепы при формировании опорной поверхности на нижней части бревна СФБГ-1.
Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались: на заседаниях секции Ученого Совета ЦНИИМЭ (1979 - 1989 гг.); всесоюзных НТК в г. Вильнюсе (1989г.) и в ЦНИИМЭ; на республиканских НПК: ПКТИ г. Ивано-Франковск (1982, 85, 87 и 90 гг.); на НТК ЦНИИМОДа (1978 и 1980 гг.); СибНИИлпа г. Красноярск (1989 г.); АО «Закарпатлес» г, Ужгород (1989 г.); на научных конференциях ЛТИ ЦБП г. Лениниград (1985 г.), ЛЛТИ г. Львов (1978, 1979гг.); на машиностроительных заводах и КБ Минлеспрома, Минхиммаша, Минлесхоза, Минтрансмаша; на всесоюзных семинарах на ВВЦ (ВДНХ) - 1988 и 1990 гг.; на международном симпозиуме г. Москва (1994г.); на всесоюзных и международных выставках (Лесдревмаш-84, 96; Технолес-93 г. Санкт-Петербург; Лигна-93 г. Ганновер и на ВВЦ - «Ресурсосбережение-88» и «Комплексная переработка древесины» 1990 и 1991гг.); на курсах повышения квалификации специалистов лесной промышленности в ИПК г. Москва (1990г.). Фрагменты результатов работы транслировались по ЦТ в передачах: «Жизнь науки» (28.Х.80 г.), «Лесные богатыри» (13.XII.80r), «Новости науки» (23.1Х.97г.) и широко освещались в лесной периодической печати.
За научные разработки и их практическое использование автор удостоен диплома общества «Знание», диплома «Почета ВВЦ и ВДНХ», награжден медалями ВВЦ, удостоен звания «Заслуженный изобретатель России».
Личный вклад автора. Основные результаты теоретических и экспериментальных исследований получены автором лично,
В общих работах [53, 131, 134 - 136] автором сформулированы задачи исследований, выполнены все аналитические расчеты и обоснования параметров процесса крупномерной древесины в рубильные машины, вскрыты технологические причины образования потерь древесины при ее измельчении, дана оценка качества щепы; в работе [17] соискателем предложены технические решения по улучшению качества измельченной древесины в процессе ее производства, разработаны частные методики по экспериментальным исследованиям. В совместной работе [51] автором написаны разделы -3.5,4.7и4.11.
В работах [130, 138] автор принимал непосредственное участие в определении реальных показателей кривизны хлыстов, подлежащих измельчению и в анализе результатов экспериментов по условиям загрузки тонкомерной древесины в рубильные машины.
В совместных изобретательских работах автор генерировал идеи, принимал участие в разработке конструкций и схем новых машин [118, 132, 139, 147, 166 - 168]. Автором самостоятельно получено 16 патентов.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 107 работ, включая 2 монографии, 2 справочно-методические издания. Получено по теме диссертации 43 патента и авторских свидетельств на изобретения, материалы работы отражены в 25 научно-технических отчетах.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, восьми разделов, общих выводов и рекомендаций, списка использованных источни А ков (186 наименований) и приложений. Работа содержит 327 страниц основного текста, включающего 121 рисунок, 37 таблиц, а также 6 приложений на 85 страницах машинописного текста.
Основные направления использования древесного сырья
Технологическая щепа - это древесные частицы заданных размеров с углом скоса торцов 30 - 60. Она используется в производстве бумаги, картона, целлюлозы, древесных плит, гидролизном и лесохимических производствах.
Топливная щепа - это древесные частицы длиной не более 100 мм (оптимальная длина частиц 50 мм). Используется только как топливо.
Зеленая щепа - это фракции древесных частиц, включающие примеси хвои, листьев, неодревесневших побегов. Используется как добавка к технологической щепе для плитного производства или как топливо. Зеленая щепа является сырьем для получения древесной зелени, которая широко используется в промышленности.
Технологическая щепа как сырье для многих видов производств должна соответствовать требованиям, которые предъявляют к ней потребители. В зависимости от назначения щепы размеры ее частиц могут быть (ГОСТ 15815): Марка щепы Длина, мм Толщина, не более, мм Ц1,Ц2,ЦЗ 15-25 5 ПВ 10-35 5 ПС 10-60 30 ГЗ 5-35 5 Размеры частиц зеленой щепы устанавливаются ТУ 13-735: Назначение щепы Длина, мм Толщина, не более, мм ДВП 10-40 10 ДСП 10-60 20 Для котельных установок не более 100 20 Для гидролиза 5-35 5 Срезы частиц щепы марки Ц должны быть чистыми, без мятых кромок, угол среза должен быть в пределах 30 - 60. В щепе марки ПВ, ПС, ГЗ качество срезов не учитывается.
Такой важный размер частиц щепы как ширина действующими стандартами не регламентируется. Как показывает практика, геометрические размеры частиц щепы, вырабатываемой в известных рубильных машинах, колеблются для марки Ц: длина от 1 до 50 мм, толщина от 0,1 до 12 мм, ширина 0,5 - 100 мм [29, 30], В производстве древесных плит частицы щепы имеют размеры: тол щина до 30 - 35 мм, длина до 100 мм, ширина до 60 - 100 мм. Для некоторого выравнивания размеров частиц производят ее сортировку.
Геометрические размеры частиц щепы оказывают большое влияние на механические и химические свойства, выход получаемой при варке целлюлозы, а также на качество древесной массы [29, 34, 37, 38, 44].
Так в работе [34] делается вывод, что ширина частиц щепы не должна превышать ее длины, иначе она будет уходить из сортировочного устройства в отсев и как сырье для производства целлюлозы теряется. В зависимости от содержания в щепе мелких и крупных фракций цена на нее снижается.
При варке щепы различной толщины получается целлюлоза более низкого качества. Это объясняется тем, что из слишком тонкой щепы получается целлюлоза пониженной прочности, а из слишком толстой образуется большое количество непровара. Большинство исследователей считают, что оптимальными размерами частиц щепы являются; длина по волокну 15-20 мм, толщина 3-5 мм, ширина 2-20 мм [29, 32, 37, 39].
Профессор Ю.Н. Непенин [39] доказывает, что щепа должна быть однородной по фракционному составу и иметь минимальное количество мелочи, так как разномерная щепа забивает сита в камере перед питателем и циркуляционную систему в котле, нарушая тем самым технологический процесс.
Известно также, что при варке щепы разного размера в целлюлозу превращаются, прежде всего, мелкие ее частицы и во время доварки крупной щепы ж происходят значительные потери целлюлозы, полученной из мелких фракций.
Равномерность пропитки щепы варочным раствором зависит от степени деформации частиц и их влажности. Варка целлюлозы из крупной щепы требует более продолжительного времени, высоких давлений и более сильной варочной кислоты [35]. При сульфатной варке на скорость пропитки и равномерность реакции делигнификации оказывает не только длина, но и толщина частиц щепы. Это объясняется тем, что варочный раствор проникает гораздо быстрее в направлении волокон, чем в других направлениях.
Таким образом, для получения качественной целлюлозы, повышения ее выхода и увеличения производительности варочных котлов необходимо иметь сырье (щепу) однородное по своему фракционному составу.
Кроме этого, на качество целлюлозы влияет деформация частиц щепы и чистота плоскости срезов [29, 31, 38, 39, 41, 44, 183]. Исследования, проведенные в нашей стране, Канаде, Швеции, Финляндии и других странах показали, что сжатие щепы приводит к структурным повреждениям волокон (морщины, изломы, волнистость, разрыв стенок древесных клеток). Исключить деформации щепы, получаемой в современных рубильных машинах, не представляется возможным, поскольку частица щепы является результатом механического деления древесины. Поврежденность щепы (смятие капилляров) и количество мелких частиц зависят от режима резания [33, 41, 45, 102] и механики разрушения древесины [46, 73, 173].
Качественная щепа, имеющая однозначность геометрических размеров частиц, требуется не только для ЦБП, но и для других потребителей. Так, Дроздов и Кунин [34] утверждают, что щепа для производства древесных плит должна иметь форму четырехугольника с размерами 25 х 25 мм и толщиной 5 -7 мм. Применение более крупных частиц щепы снижает производительность размольных машин и степень помола древесной массы.
Шварцман Г.М. [42] приводит данные по размерам щепы, идущей в плитное производство: длина 20 - 25 мм, ширина 20 - 25 мм и толщина 2-10 мм.
Баранов Н.А. [31] отмечает, что основной задачей при измельчении древесины является получение частиц щепы одинаковых по длине, ширине и толщине.
Анализ формы и размеров частиц щепы показывает, что в поперечном сечении частицы имеют трапецеидальную и треугольную форму, т.е. наблюдается разнотолщинность частиц по ширине.
Резание древесины на щепу коротколезвийными резцами отличается от традиционного, присущего всем типам дисковых рубильных машин. Это отличие заключается в соотношении длины режущей кромки резца (ножа) к максимальной ширине перерабатываемого материала (Lp/BM) (рис. 2.1.). В зависимости от длины режущей кромки, находящейся в резе, различают: - открытое (свободное) резание - режущая кромка резца полностью перекрывает ширину перерабатываемого материала; - полузакрытое резание - режущая кромка резца частично перекрывает ширину материала, при этом одна боковая кромка режущего элемента взаимодействует с древесиной; - закрытое резание - длина режущей кромки резца значительно меньше ширины материала, т.е. с древесиной взаимодействуют две боковые кромки режущего элемента.
Разделение процесса резания на виды позволяет установить более общие закономерности элементообразования щепы, изучить физику явления для каждого из них, а также найти общие и отличительные признаки между ними [96 -101].
С целью обоснования механической модели процесс разрушения древесины с образованием щепы» рассмотрим систему «усилия - напряжения». Зависимость изменения усилий разрушения от вида и условий резания определяется по такой схеме:
а) аналитически исследуется напряженное состояние древесины на основе анализа сил, действующих со стороны резца на древесину; б) устанавливаются геометрические размеры щепы в зависимости от конструктивно-кинематических параметров процесса резания (угол встречи, угол резания, длина режущей кромки резца и др.) и гидротермического состояния измельчаемого материала.
При рассмотрении механической модели элементообразования приняты следующие допущения: - среднее статистическое распределение напряжений соответствует распределению, принятому при стандартном испытании образцов древесины с целью определения ее физико-механических свойств; - радиус затупления режущей кромки принят равным нулю, что существенно не повлияет на точность математической модели, но значительно облегчит представление о процессе разрушения древесины коротколез-вийными резцами; - коэффициент трения по всей плоскости контакта резца с древесиной постоянный и численно меньше коэффициента внутреннего трения древесины; - древесина обладает свойствами упруго-пластического материала.
При внедрении режущего элемента в древесину под действием внешней нагрузки у передней и боковых гранях резца наблюдаются упруго-пластические деформации древесины, а напряжения достигают своего предельного значения. По мере дальнейшего движения резца его грани передают усилия на соприкасающиеся с ними участки древесины, вовлекая в зону разрушения все новые слои.
Согласно третьей прочности разрушение древесины происходит в зоне наибольших касательных напряжений [102]. Известные исследования [29, 32, 33, 41, 45, 46, 73 - 85, 171 - 173, 176, 180] достаточно полно освещают вопрос образования элементов щепы при открытом виде резания, как частного случая более сложного вида - закрытого.
В теоретических исследованиях использованы основные положения теории резания древесины, разработанные отечественными учеными Тиме М.А., Афанасьевым П.А., С.А. Воскресенским, А.Л. Бершадским.
Механическая модель процесса элементообразования щепы
Резание древесины коротколезвийными резцами относится к более общим видам - закрытому и полузакрытому. Для изучения физической сущности элементообразования будем рассматривать период, когда наступает разрушение древесины под влиянием сил, действующих в плоскости разрушения. Оценочными показателями при этом являются сила резания и качество щепы.
На рис. 2.2. приведена схема сил, действующих со стороны резца на древесину при разных видах резания и условии:
Модель разрушения древесины рассматривается в полузамкнутом пространстве [97]. Элементы образуемой щепы находятся в сложном напряженном состоянии, т.к. разрушение древесины происходит в 3-х плоскостях. В нижней плоскости (см. рис. 2.2 а) сила Рц вызывает разрушение древесины и сжатие ее вдоль волокон. Как и при всяком сжатии, в данном случае происходит расширение (деформирование) разрушаемого элемента древесины. Указанный процесс деформирования характерен более сложному виду резания, когда элемент щепы по толщине вдоль волокон имеет связь с массивом древесины (разрушение древесины происходит и по боковым граням).
Основные предпосылки механики образования частиц щепы при резании древесины коротколезвийньши резцами
Приняв боковые и нижние грани за опоры, препятствующие расширению, можно определить величину Д/"[104]. Величина допускаемого прогиба слоя древесины принимается из условия Т Г . Таким образом, толщину срезаемого слоя и толщину щепы можно подобрать так, чтобы стрела прогиба не вызывала разрушения древесины.
Большое влияние на механику образования щепы оказывает влажность древесины. Деформация щепы, в зоне взаимодействия резца с древесиной, при уменьшении ее влажности увеличивается.
При полузакрытом виде резания характер образования щепы будет иным. В этом случае имеется одна боковая связь аб (рис. 2.4. а).
Сила Рц создает момент относительно стороны аб, разворачивая ее относительно передней грани ав, вследствие чего в точке а возникают напряжения разрыва, а в точке б напряжения сжатия. В этом случае менее заметное влияние оказывает сопротивление древесины от поперечного расширения. Процесс образования элемента щепы протекает в следующем порядке. Сначала появляются трещины вдоль волокон у свободного края ее, затем они одновременно распространяются поперек и вдоль волокон (см, рис. 2.4.а). Под действием сопротивлений по боковой грани аб противоположная сторона щепы ее смещается относительно передней грани резца на величину Л/"(см. рис. 2,4. а). Перемещение Л/определяется по известной формуле для ортотропного материала [104]: Ь 3 где І - момент инерции, равный І = ——-, q - давление передней грани резца на древесину.
Величина q, а, следовательно, и Д/ зависят от сопротивления древесины разрыву волокон по боковым граням элемента щепы; как только произойдет разрушение по грани, аб щепа будет сдвигаться по отношению к плоскости ав.
Напряжения у грани аб будут больше, чем у грани ее (см. рис. 2.4.а) на величину, равную сопротивлению разрушению от боковых связей элемента щепы. ДГ = - -, (2.5) / ; В этом случае смятие древесины в зоне контакта с передней гранью резца незначительное.
Из вышеизложенного можно заключить, что процесс элементообразова-ния щепы при резании древесины коротколезвийными резцами отличается от традиционного. В рассмотренных видах резания, когда длина режущей кромки резца значительно меньше ширины измельчаемой древесины, процесс формирования размеров щепы управляемый, т.е. щепу можно получать необходимых размеров. Определение толщины щепы в зависимости от вида и условий резания
Требования, предъявляемые к качеству технологической щепы, а также все возрастающее производство продукции из нее, выдвигают на первое место вопрос совершенствования существующих рубильных машин и создания новых - более эффективных.
Одним из главных направлений увеличения эффективности рубильных машин является уменьшение их силовых и энергетических показателей и улучшение качества получаемой щепы путем разделения режущего элемента (ножа) на множество резцов, расположенных на рабочем органе машины по ступенчатой спирали [30, 33, 52, 88, 59 - 62, 88, 186]. При этом имеют место по-лузакрытый, а также частично закрытый и открытый виды резания.
Процесс резания при этих видах весьма сложный и от его правильной организации зависит качество получаемой щепы и эффективность работы рубильной машины.
Поэтому, исследование влияния вида и условий резания на процесс образования щепы в многорезцовых рубильных машинах является актуальным.
При исследовании физики явления в процессе резания древесины на щепу в многорезцовых рубильных машинах и установлении зависимости толщины от условий и вида резания будем исходить из анализа простейшего вида резания — элементарного, базирующегося на механико-математическом методе. Все рассуждения будем излагать для закрытого вида резания, как более общего. Рассмотрим схему образования щепы в процессе резания в дисковой многорезцовой рубильной машине (см. рис. 2.2.). Исследование процесса образования щепы проводим на основе анализа действующих сил со стороны режущего элемента на древесину.
Так, резец, находящийся в древесине, будет вызывать: - нормальные и касательные напряжения в плоскости разрушения; - напряжения сжатия в зоне контакта передней грани режущего элемента с древесиной; - напряжения растяжения и сжатия по боковым граням щепы и в плоскости перпендикулярной плоскости сдвига.
Причины образования потерь древесного сырья при его измельчении в рубильной машине
Практика производства щепы на современных рубильных ножевых машинах показывает, что частицы щепы имеют большой разброс размеров (толщина от 0,1 до 10 мм, ширина от ОД до 100 мм, длина от 5 до 30 мм). Кроме этого, частицы щепы в поперечном сечении имеют и различную толщину, т.е. форму трапеции или треугольника. Так, например, в известных марок рубильных машин неравномерность размера толщины щепы по ширине частиц составляет для щепы из осины 14,4 %, из ели - 10,1 %, из березы - 9,7 %, из липы - 11,1 %, из ольхи - 9,8 %. На рис 3.17. показаны образцы щепы из различных пород древесины полученной на современных ножевых рубильных машинах. Такой разброс размеров щепы объясняется тем, что управлять процессом получения щепы заданной ширины при ножевом (открытом) виде резания не представляется возможным. Однако требования потребителей щепы накладывают ограничения на разброс размеров частиц щепы, например, длина частиц для целлюлозно-бумажной промышленности должна быть в пределах 15-25 мм, а толщина не более 5 мм.
В ножевых рубильных машинах наблюдается повышенный объем крупной фракции (больше на 12 % чем в многорезцовых машинах), т.е. крупность частиц щепы зависит от вида резания. Кроме этого в щепе находиться от 2,5 до 6 % разных отщепов [30, 84, 136, 139].
Процесс образования ширины и толщины щепы можно представить следующим образом. При перемещении режущего ножа дисковой рубильной машины на некоторый угол (рис.3.18) в точке а при максимальном радиусе резания R наступил предел прочности древесины на скалывание, при этом образуется трещина, которая распространяется вдоль волокон, а точке б при г предел прочности еще не наступил, тогда от точки а к точке б начинают распространяться трещина поперек волокон, т.е. формируется ширина и толщина щепы. Сколотая часть в поперечном сечении имеет треугольную форму. Разнотол-щинность щепы одна из причин образования в ней мелочи, т.к. вершинки треугольников обламываются при удалении щепы из зоны резания [135]. На процесс формирования разнотолщиннои щепы влияет и скорость резания, которая в ножевых машинах по длине режущей кромки ножа меняется в пределах 3-6 раза.
Как видим, процесс формирования щепы зависит от отношения R кг. Если это отношение стремится к 1, то и внутренние напряжения по всей ширине щепы распределяются более равномерно, и ее сечение будет приближаться к прямоугольной форме. Это требование удовлетворяется при резании древесины резцами, так как разность в скорости внедрения противоположных (крайних) точек лезвия невелика (r- R) и существенного влияния на процесс формирования частиц щепы не оказывает.
Практически в дисковых ножевых рубильных машинах невозможно получить щепу строго прямоугольного сечения, т.к. разность скорости внедрения крайних точек режущей кромки ножа не может быть сведена к одинаковому значению, но максимально приблизиться к нему можно путем замены открытого вида резания на полузакрытое. Например, изменение толщины щепы по ее ширине в многорезцовых машинах составляет для ели 2,9 %, для осины 0,97 %, и для березы 3,49 %. Кроме этого в многорезцовых машинах, по сравнению с ножевыми, не наблюдается большого разброса ширины щепы, так как ширина ограничена длиной режущей кромки резца. Из этого следует, что однородность размеров частиц щепы в многорезцовых машинах более высокая.
Оптимальная длина частиц щепы для целлюлозно-бумажной промышленности (целлюлоза марки Ц-1, Ц-2, Ц-3) составляет 15...25 мм; для гидролизного производства (ҐГЛ, ГП-2, ГП-3) - 5...35 мм; для древесноволокнистых плит марки ПВ - 10...35 мм и для древесностружечных плит марки ПС - 10...60 мм, Толщина частиц щепы для первых трех марок (Ц), ГП и ПВ должна быть не более 5 мм, для марки ПС - не более 30 мм.
Результаты экспериментальных исследований
Анализ полученных данных исследований 5-8 типов резцов показал, что с увеличением угла скоса со до п/9, рад, удельная сила резания уменьшается. Такой характер изменения силы резания подтверждается результатами ряда работ [41, 55, 72, 97]. Однако при дальнейшем увеличении угла скоса сила резания начинает также увеличиваться. Одной из причин этого явления является увеличение, вместе с увеличением угла скоса, длины контакта резца с древесиной. Кроме этого на рост силы резания влияет процесс элеменообразования щепы [33, 41, 72, 75], который меняется с увеличением угла скоса, а также коэффициент трения, поскольку он влияет на распределение усилий при взаимодействии резца с древесиной (рис.4.15). В этом случае известные положения теории резания не находят своего подтверждения. Из этого следует, что процесс полузакрытого вида резания древесины резцами на щепу малоисследованный и требует проведения специальных экспериментов с целью определения его основных характеристик.
Влияние толщины срезаемого слоя древесина на силоные показатели процесса резания Испытанию подвергались еловые образцы, выпиленные по специальной схеме раскроя (рис.4.9) Количество годовых слоев в 1 см. составляло 5,8; плоскость скалывания принята радиальная; длина режущей кромки резца Lp = 50 мм.
С целью определения влияния толщины срезаемого слоя на силовые параметры процесса при полузакрытом виде резания, был проведен опыт с градацией толщины срезаемого слоя через 3,5 мм, что дало возможность более детально наблюдать механику образования элементов щепы и более точно определить количественные показатели процесса.
Результаты опыта приведены в приложении 2 (табл. П.2.4) и представлены в виде графика (рис.4.16).
Как видно из графика, при увеличении толщины срезаемого слоя древесины hc удельная сила резания возрастает, а удельная работа резания при этом уменьшается. Зависимости Ру f(hj и Ау =/( близки к линейным. Характер изменения силовых показателей при полузакрытом виде резания (см. рис.4.16) приближается к традиционному, что подтверждается известными из теории резания положениями [25, 37, 41, 68, 90].
При изменении толщины срезаемого слоя древесины от 10 до 25 мм удельная сила резания увеличивается от 57 Н/мм до 130 Н/мм, что значительно больше, чем при открытом виде резания. Это объясняется наличием дополнительного сопротивления разрушению за счет боковой связи элемента щепы с массивом древесины. Влияние угла встречи рв на силовые показатели процесса резания
Опыты проводились при следующих условиях: порода древесины - ель свежесрубленная; количество годовых слоев 5,6 в 1 см; длина щепы 1Щ = 18 мм; а) графическое изображение результатов, б) фрагменты процесса резания угол наклона ф„ = я/2, рад; длина режущей кромки резца Lp = 50 мм; тип резца 1; плоскость скалывания - тангенциальная.
Результаты полученных данных приведены в приложении 2 (табл. П. 2.5.) и показаны в виде графических построений (рис.4.17).
Как видно из графика (см. рис.4.17.) удельная сила резания и удельная работа резания значительно снижаются при переходе от резания перпендикулярно волокнам к резанию параллельно к ним. Это явление аналогично тому, которое наблюдается при резании тонкой стружки [90], только уменьшение не столь интенсивное.
Некоторые расхождения полученных результатов с ранее известными можно объяснить неодинаковыми условиями проведения опытов, однако общие закономерности сохраняются во всех приведенных случаях.
Следует также отметить, -что при больших значениях угла встречи вектора скорости с направлением волокон (фв) щепа сильно деформируется передней гранью резца и элементообразование щепы затруднено. Происходит отгиб свободного края щепы, а срезаемая поверхность неотделенных элементов ее сминается. Такое явление можно объяснить тем, что при увеличении угла встречи происходит переход от резания вдоль волокон к перерезанию их в торец. Основные выводы по 1-му этапу экспериментальных исследований
На основе проведенных исследований можно сделать вывод, что статическое испытание древесины при небольших скоростях резания и безинерционное измерение усилий резания позволяют более глубоко изучить физическую сущность процесса элементообразования щепы и вскрыть важнейшие для практики закономерности при резании древесины резцами, что является основой при создании рубильных машин нового поколения.
