Введение к работе
Актуальность. При наличии самого большого в мире и относительно дешевого природного запаса древесины Россия в настоящее время обеспечивает лишь 5% мирового объема производства древесностружечных плит (ДСтП). Экспорт ДСтП практически отсутствует, а производства плит из крупноразмерной ориентированной стружки (OSB) просто нет. Вырабатываемые отечественными производителями ДСтП неконкурентны на мировом рынке как по ценам, так и по качеству, технический уровень оборудования невысок, а многие линии морально устарели. В связи с интеграцией России в международный рынок и, соответственно, со снижением пошлин на импортную плитную продукцию, отечественным производителям плит следует уделять больше внимания качеству выпускаемой продукции в связи с возрастающей конкуренцией. Этому способствует правительственная программа по внедрению передовых наукоемких технологий в сфере глубокой переработки древесины.
Совершенствование технологии производства ДСтП, включая оптимизацию структуры плит, ориентацию древесных частиц, возможности устранения покоробленности плит, а также вопросы повышения производительности прессового оборудования, изучалась в таких организациях и фирмах, как ВНИИДрев, МЛТИ, СПбГЛТА, СибТИ, ЦНИИФ, УкрНИИМОД, Дрезденский ТУ, Siempelkamp, Diffenbacher. Большой вклад в эти исследования внесли российские ученые А.А Поздняков, О.Е. Поташев, Ю.Г. Лапшин, В.В. Гамов, Н.П. Анисова, В.П. Жуков, А.Ф. Базанов, Н.И. Остапенко, а также зарубежные исследователи Е. Рlath. R. Keilwerth, H.-A. May, P. Niemz, A. Hnsel, E. Kehr, R Scherfke, E. Dobrowolska, Н. Turner, S. Dueholm и др.
Данные исследования затрагивали выявление рациональных размеров древесных частиц, формирование профиля плотности плит. Однако для наиболее распространенных сегодня трехслойных плит вопрос рационального соотношения слоев, которое позволило бы максимизировать основной физико-механический показатель плит - предел прочности при статическом изгибе, остается открытым. Не решена и проблема автоматического поддержания данного соотношения формирующими машинами, а также проблемы изготовления ДСтП с несимметричной структурой. В настоящее время отсутствуют теоретические положения для модернизации современных ориентирующих устройств, используемых в производстве плит OSB, в частности, нет методики расчета поступательного и вращательного движения ориентирующих органов механических ориентирующих устройств, не решены многие конструктивные вопросы данного оборудования. По-прежнему имеет место такой дефект плит, как покоробленность. Традиционные способы уменьшения покоробленности трудоемки и не поддаются автоматизации. Должного внимания не уделено вопросам сокращения вспомогательного времени в цикле прессования. В то же время за счет данного параметра возможно повышение производительности оборудования без больших капитальных затрат. Практически не рассмотрены также возможности получения на традиционном оборудовании декоративных плит с заданным ограниченным изгибом, которые могли бы быть выгодно использованы в мебельной промышленности и строительстве.
Цель работы – разработка теоретических основ и технических решений, направленных на повышение качества и эффективности производства древесностружечных плит.
Объекты исследования – технологические процессы производства древесностружечных плит.
Предмет исследования – физические явления, характеризующие технологические процессы формирования стружечного ковра и прессования древесностружечных плит.
Задачи исследований:
1. Анализ существующих способов и выявление возможностей улучшения основного механического показателя трехслойных плит – прочности на статический изгиб, разработка модели рационального соотношения слоев по сечению плиты и принципов управления формирующей машиной, реализующих данную модель.
2. Систематизация способов ориентации древесных частиц при формировании стружечного ковра, установление функциональных связей между технологическими параметрами и степенью ориентации частиц, развитие основ построения автоматических систем оптимальной ориентации частиц.
3. Разработка комплекса принципиально новых механических ориентирующих устройств, улучшающих процесс и качество ориентации древесных частиц.
4. Развитие теоретических положений по оптимизации смыкания плит большеформатных прессов и построению автоматических систем смыкания, обеспечивающих минимальную продолжительность смыкания плит при ограниченном скоростном движении среды из межплитного пространства.
5. Исследование динамики коробления древесностружечных плит непосредственно после выгрузки из пресса.
6. Создание активных способов управления покоробленностью древесностружечных плит и разработка на их основе автоматических систем устранения покоробленности в прессах периодического и непрерывного действия.
7. Разработка основ изготовления на традиционном оборудовании асимметричных древесностружечных плит и плит с конструктивно заданной кривизной поверхности.
Методы исследования, достоверность и обоснованность результатов. Методы математического моделирования технологических процессов, экспериментальные методы испытания древесных частиц и плит на специально разработанных стендах, методы планирования эксперимента, статистические методы обработки результатов экспериментов, методы теории автоматического управления. Достоверность теоретических решений обеспечивается корректным использованием математического аппарата и удовлетворительной сходимостью полученных результатов с экспериментальными данными.
На защиту выносятся:
- разработанные теоретические положения: модель трехслойной плиты, учитывающая изменение модулей упругости слоев; модель, описывающая поведение древесных частиц в механическом ориентирующем устройстве; математическое описание движения среды в межплитном пространстве при смыкании большеформатных прессов;
- результаты экспериментальных исследований коробления ДСтП, происходящего в результате погрешностей технологических параметров, а также закономерности изменения этого коробления:
- предложенные на основе динамических моделей коробления активные способы управления покоробленностью ДСтП;
- предложенные на уровне изобретений автоматические системы:
формирования стружечного ковра с рациональной структурой,
оптимальной ориентации древесных частиц,
оптимального смыкания плит пресса,
управления покоробленностью ДСтП;
- комплекс новых механических устройств для ориентации древесных частиц;
- обоснование изготовления ДСтП с асимметричной структурой и плит в виде пологих оболочек заданной конфигурации, производимых на существующем оборудовании.
Научной новизной обладают:
1. Геометрическая модель многослойной плиты и разработанный на ее основе способ формирования многослойного стружечного ковра для получения ДСтП оптимальных по прочностным показателям.
2. Построенная на физических законах модель поведения древесных частиц в механических ориентирующих устройствах и способы ориентации древесных частиц, позволяющие минимизировать угол разброса частиц в стружечном ковре.
3. Модель поведения среды при смыкании плит пресса и способ, позволяющий минимизировать продолжительность смыкания большеформатных прессов периодического действия.
4. Динамическая модель коробления плиты и полученная на ее основе теоретическая база для разработки способов управления покоробленностью ДСтП за счет активного воздействия на технологические параметры в процессе изготовления плит.
Практическая значимость работы. Разработанные в диссертации теоретические положения и методы являются базой для проектирования автоматических систем:
- повышающих качество ориентации и прочность на изгиб изготовляемых ДСтП;
- ускоряющих смыкание крупноформатных прессов;
- управляющих покоробленностью плит новыми активными методами.
Такие системы позволят улучшить качество продукции, повысить производительность оборудования без существенного изменения технологии и больших капвложений, а также позволят получать на традиционном оборудовании такие новые материалы, как асимметричные плиты для горизонтальных несущих элементов и плиты в виде пологих оболочек.
Реализация результатов работы. Результаты работы используются в ООО «Красплитпром», в учебном процессе Московского государственного университета леса по дисциплинам «Технология древесных плит» и «Автоматизация технологических процессов деревообрабатывающих производств», в Санкт-Петербургской государственной лесотехнической академии по направлениям «Технология деревообработки», «Автоматизация технологических процессов и производств», в Сибирском государственном технологическом университете по дисциплинам «Технология древесных плит и пластиков» и «Технология клееных материалов и древесных плит».
Апробация работы. Основные положения и результаты работы доложены на ежегодных научно-технических конференциях СТИ и СибГТУ (Красноярск, 1989–2007), на 7-й и 8-й научно-технических конференциях «Научно-технический прогресс в лесной и деревообрабатывающей промышленности» (Киев, 1989 и 1991 гг.), на 2-м международном евразийском симпозиуме «Деревообработка: технологии, оборудование, менеджмент XXI века» (Екатеринбург, 2007 г.), на международных научно-технических конференциях «Актуальные проблемы лесного комплекса» (Брянск, 2006–2008 гг.).
Публикации. По теме диссертации опубликованы 54 научные работы, в том числе 1 монография, 15 статей, рекомендуемых ВАК, 27 авторских свидетельств и патентов на изобретения, 2 статьи в зарубежных изданиях.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 6 глав, заключения, библиографического списка, включающего 131 наименование, и 2 приложений. Работа изложена на 292 листах машинописного текста, содержит 100 рисунков, 14 таблиц.
