Повышение эффективности процесса окорки пиленых лесоматериалов гибкими рабочими органами

На долю Сибири приходится 42% покрытых лесом земель России. Вовлечение их в рациональное лесопользование является важной задачей для лесного комплекса. Запас древесины основных лесообразующих пород Сибири равен 35,5 млрд м3, в том числе запас спелых и перестойных — 21,5 млрд м3.

Леса всех групп представлены на 75,3% - хвойными породами, на 18,4% - мягколиственными и на 6,3% - прочими древесными и кустарниковыми породами [42].

Огромные площади представлены насаждениями лиственницы (32,6%) и сосны (21%). Около 20% лссов Сибири сосредоточено на территории Красноярского края [82].

Проявилась тенденция на сокращение использования круглого леса и увеличение производства пиломатериалов и изделий деревообработки более чем на 65%. Потребление пиломатериалов на внутреннем рынке России, составляющее 52 млн м3 в 1998 г., увеличилось к 2001 г. до 61 млн м Экспорт пиломатериалов возрос до 15 млн м3.

Железнодорожный транспорт является крупным потребителем специфической продукции лесного комплекса — шпалы широкой колеи, потребление которой составляет 22 млн шт [42].

В России производством шпалы и пиломатериалов занимается более 20 тысяч предприятий, и только 5% крупных предприятий являются государственной собственностью, остальные 95% находятся в частной, акционерной или смешанной формах собственности [42]. Идет увеличение количества мелких цехов и участков по выпуску пиломатериалов на ранее законсервированных мощностях леспромхозов и создание новых.

Из вышеуказанного объема потребления шпал и пиломатериалов, остаются нереализованные отходы которые составляют примерно 20 млн м'1.

42]. Фактором, сдерживающим реализацию этих отходов, является отсутствие массовой окорки круглых лесоматериалов.

Частным предприятиям в данных экономических условиях невыгодно применение централизованной окорки шпальных кряжей и пиловочника из-за малых объемов заготовки леса, больших экономических затрат па содержание бассейнов для сортировки и оттаивания, сложности и дороговизны окорочных станков роторного типа.

Эти отходы успешно могут быть использованы при производстве технологической щепы, черновых мебельных и строительных заготовок, тарной дощечки, товаров народного потребления и изделий производственного назначения. Поскольку более полная переработка дает весомую добавочную прибыль, на данном этапе химическая промышленность позволяет увеличить выпуск продукции химической и химико — механической переработки с использованием отходов. За период с 1994 по 1997 г. производственные мощности по выпуску бумаги и картона увеличились: в США на 12 млн. т.- Китае — 9,2- Корее — 3,9 млн. т [63]. При экспорте растворимой целлюлозы по сравнению с экспортом необработанного круглого леса выигрыш на каждый м" ', пущенный на производство целлюлозы, составляет 150 $ США. Опережающими темпами развивается производство древесноволокнистых плит, нашедших свое применение в изоляционных и отделочных работах [51].

Ориентация лесного комплекса на выпуск продукции более глубокой переработки (бумаги, картона, целлюлозы, плитной и мебельной продукции) позволит предприятиям выйти из экономических кризисных ситуаций. Ряд комбинатов целлюлозно-бумажной промышленности (Селенгинский ЦБК, Братский, Амурский и Усть — Илимский ЛПК) выпускают целлюлозу и полуцеллюлозу, используя для ее варки сульфатным способом технологическую щепу светлохвойных пород и лиственницы [50].

К факторам, сдерживающим рост переработки сегментных лесоматериалов, относится проблема его окорки, так как имеет сложную геометрическую форму. В 1965 году за рубежом было предложено окаривать непосредственно горбыль. Были разработаны гидравлические установки.

Джексона", установки с использованием ручного труда скобелями, фрезами. В Швеции применялись установки «Шехольм», где в качестве короснимателей применены цепи, закрепленные на вращающемся валу, на конце каждой цепи прикреплен небольшой башмак. Все эти исследования доказали возможность промышленной окорки горбыля [93].

Существуют также и современные окорочные станки фирмы «Manitowoc» по окорке круглых лесоматериалов, обеспечивающих эффективную переработку древесного сырья с различными размернокачественными характеристиками в разных природно — производственных условиях. Эти станки снабжены небольшими отрезками цепей, закрепленных на вращающемся валу.

Проведенный анализ работ в области окорки позволяет сделать вывод о возможности применения для окорки лесоматериалов сегментного тина в качестве рабочих органов отрезки цепей без установления дополнительных короснимателей.

ЦЕЛЬ ИССЛЕДОВАНИЙ: определить режимы технологического процесса окорки отходов лесо-шпалопиления (сегментного типа) гибкими рабочими органами с учетом размерно — качественных характеристик предмета труда и физико-механических свойств коры.

Для осуществления поставленной цели исследованы параметры гибкого органа и режимы работы установки. Для этого были экспериментально исследованы ранее не изученные физико-механичсские свойства коры лиственницы и сосны. Установлены силовые параметры взаимодействия рабочих органов с предметом труда. На созданной экспериментальной установке по методике планирования экспериментов и обработки данных, по планам В. З. Бродского, проведены эксперименты по окорке горбыля. В результате экспериментальных исследований было выявлено, что качество окорки горбыля повышается и достигает до 98%, что позволяет это сырье пускать в дальнейшую переработку.

НА ЗАЩИТУ ВЫНОСЯТСЯ: результаты исследований физикомеханических свойств коры, математическая модель процесса окорки горбыля гибкими рабочими органами, рекомендуемая форма и размеры гибкого органа, режимы работы установки, данные экспериментов по окорке сегментных лесоматериалов гибкими органами.

Окорка отходов сегментных лесоматериалов позволит широко использовать сырье, полученное из лесо-шпалопиления, для дальнейшей переработки на мелкие пиломатериалы и технологическую щепу, ранее применявшиеся лишь в качестве топлива. Эти мероприятия позволят в значительной мере повысить эффективность использования древесины, что увеличит прибыль лесной отрасли, послужит максимальному сохранению лесных массивов.

1 СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА.

Выводы.

1. При окорки горбыля образуется коры составляющая по фракциям: крупных частиц от 22 до 31%, средних частиц от 22 до 30%, мелких частиц от 1 1 до 18%, самых мелких частиц от 13 до 19%, частиц луба от 3 до 9%, частиц коры сросшейся с лубом от 3 до 5%, частиц разрушенной древесины до 0,5%.

2. С увеличением влажности фракция крупных и средних частиц возрастает, а остальные фракции уменьшаются. Вследствие того, что при водопоглащение порами коры, чешуйки находящиеся ближе к наружному слою более легко скалываются вдоль волокон.

3. У лиственницы массовая доля лубяных волокон в два раза больше, чем у сосны.

4. Большую часть усилий разрушения коры составляет усилие скалывания по волокнам коры.

3.5 Определение усилия разрушения коры.

Для проверки полученной теоретической зависимости разрушения, был проведен ряд опытов по внедрению звена цепи в образец горбыля сосновой и лиственничной породы. Экспериментально определялись усилия при внедрении звена цепи в торец коры образца горбыля различной влажности вдоль волокон. Эксперименты проводились на экспериментальной установке рисунок 3.28.

Рисунок 3.28 — Экспериментальная установка по определению усилия окаривания горбыля.

На токарном станке (1) образец горбыля (4) укладывался на приемный стол (6) и прижимался струбцинами (5). В шпиндель токарного станка зажималась ось с закрепленной на ней тензопластиной (2) и звеном цепи № 1 (3) массой равной 0.014 кг.

Для опытов использовались образцы горбыля сосновой и лиственничной породы. Подбор влажности, сушка, взвешивание образцов производился аналогично предыдущим опытам и результатам разрушения коры (п. 3.4). Подсоединение тензодатчиков проводилось по ранее приведенной технологии рисунка 3.9. Считывание информации производим с самописца «Эндим». Данные экспериментов заносились в журнал наблюдения. Выполнялась статистическая обработка полученных данных (исключая грубые промахи, определение доверительного интервала, дисперсии воспроизводимости).

Производился расчет действующей силы по зависимости (2,70) с использованием данных о физико — механических свойствах коры, полученных экспериментально ранее. Строились графики зависимости P=f (e) по данным расчета и экспериментальным (рисунок 3.29).

Для оценки адекватности математической модели (2.65) рассчитывалась остаточная дисперсия S20t. T, равная отношению минимальной суммы квадратов отклонений опытных данных от расчетных к числу степеней свободы. Последнее равно разности между числом опытных точек и числом оцененных по этим точкам параметров.

Адекватность проверялась по критерию Фишера.

S 2.

О ост.

F = TJ7)' <316) где: S2(У)-Дисперсия воспроизводимости. 2.

Для определения S (Y) проводились параллельные опыты с фиксированными значениями контролируемых факторов.

Полученное расчетное значение критерия Фишера сравнивалось с табличным. Если F"шб.ч >^Расч, то уравнение считается адекватным.

Сила. Н.

Путь внедрения звена цепи, мм.

4 5 6 7 8.

Эксперимент, сосна W=85% Теория, сосна. W=85% Эксперимент, лиственница W=92% ¦ теория, лиственница W=92%.

10 11.

Рисунок 3.29 — Зависимость силы от пути внедрения звена цепи.

В экспериментальных данных видно, что максимальное усилие разрушения достигает 3 мм, далее идет спад, в этот момент происходит удаление частиц коры, сопровождаемое силой трения (рассмотрено в п. 3.4).

В ходе расчетов и построения графиков определялось отклонение между теоретическими значениями усилия разрушения коры и экспериментальными. Среднее отклонение для всех замеров составило 12%. Анализ экспериментальных данных и данных полученных в результате расчетов по зависимости (2.70) показывает, что теоретические значения несколько ниже экспериментальных. Видимо при разрушении коры участвуют дополнительные усилия по разрушению. Для рассмотренных случаев расчетный критерий Фишера находится в пределах 2.23 — 4.59, при табличном значении критерия Фишера 6,39. Условие Fпшт ^^расч выполняется, следовательно, уравнение адекватно.

4 ИССЛЕДОВАНИЯ РЕЖИМОВ РАБОТЫ УСТАНОВКИ ПО ОКОРКЕ СЕГМЕНТНЫХ ЛЕСОМАТЕРИАЛОВ.

4.1 Экспериментальная установка для окорки отходов лесошпалопиления гибкими рабочими органами.

Проанализировав выходные геометрические параметры горбыля (по п 3.3), для проведения экспериментов была смонтирована лабораторная установка на основе универсального фрезерного станка. Произведена замена шпинделя на горизонтальный вал. Гибкие рабочие органы закреплены на вращающем валу и расположены в один ряд по винтовой траектории. Цепи установлены так, чтобы происходило перекрывание обрабатываемой поверхности лесоматериала. Вал выполнен сменным, что позволяет заменять его на другой, с различной траекторией размещения цепей. Используются цепи согласно ГОСТ 2319– — 70 «Цепи сварные круглозвенные грузовые и тяговые нормальной прочности». Крепление цепей позволяет заменять на другие, с различающими размерными характеристиками.

Установка для исследования режимов окорки гибкими рабочими органами, представленна на рисунке 4.1.

Рисунок 4.1 — Установка для окорки отходов лесо и шпалопиления гибкими рабочими органами.

Принципиальная кинематическая схема работы гибкого рабочего органа представлена па рисунке 4.2. Работа установки заключается в следующем: образец горбыля закрепляется струбцинами на столе подачи (5), включается электродвигатель для вращения вала (2) с гибкими рабочими органами (1) и привод подачи стола. Образец подается на встречу вращения гибких рабочих органов (цепей). При этом происходит сбивание цепями коры с лесоматериала.

Рабочий стол может перемещаться возвратно поступательно, что обеспечивает встречное либо попутное движение. На установке, возможно регулировать скорости вращения вала через коробку передач, и аналогично для стола подачи.

Техническая характеристика установки.

Скорость подачи стола лесоматериала, м/мин.О — 0,3.

Частота вращения вала с цепями, мин .0 — 1630.

Длина обрабатываемых лесоматериалов, м. до 2.

Мощность двигателя, кВт.5,5.

Рисунок 4.2 — Кинематическая схема работы гибкого рабочего органа.

Где: 1 — гибкие рабочие органы (цепи) — 2 — горизонтальный вал- 3 -участок не окоренного образца- 4 — струбцина- 5 — стол подачи- 6 — участок окоренного образца.

Рисунок 4.3 — Общий вид закрепления рабочих органов.

Горбыль в поперечном сечении представлен в виде сектора. Для его качественной окорки необходим полный охват гибкими рабочими органами. Для этого на вращающемся валу (2), устанавливаются регулируемые кронштейны (5) крепления цепи (1). Кронштейн фиксируется зажимной гайкой (4), а цепь закреплена в нем болтовым соединением (6). При помощи таких регулировочных кронштейнах можно регулировать длину рабочей цепи для полного охвата в поперечном сечении коры на горбыле.

4.2 Экспериментальные исследования процесса окорки горбылей.

4.2.1 Факторы, влияющие на качество окорки и способы их математического описания.

Целью экспериментов по окорке горбыля — получение окоренного горбыля с минимальным количеством коры, выявление существенных и значимых факторов, режимов окорки и их влияния на процесс удаления коры.

Широко используются самые разнообразные математические методыкак традиционные, так и специально разработанные в исследовании операций.

По сравнению с традиционным методом математические планы эксперимента значительно сокращают необходимое число опытов и более равномерно исследуют факторное пространство. Но они могут быть использованы только при условии нормального закона распределения исходных параметров [54].

Аналитические методы построения моделей, как правило применяются в сочетании с экспериментальными, поскольку математическое описание объекта, полученное аналитическими методами, обычно содержат константы, значения которых определяют по результатам эксперимента. Статистическую обработку результатов эксперимента при получении эмпирических моделей часто проводят методом регрессионного анализа.

Экспериментальные методы получения математических моделей объектов играют доминирующую роль в тех случаях, когда исследуемый процесс слишком сложен для того, чтобы можно было получить его теоретическое описание.

Цслыо большинства экспериментальных исследований в деревообработке является изучение влияния различных воздействий на объект исследования — факторами.

Применительно к нашим условиям, относится экспериментальноаналитический метод.

К экспериментально — аналитическому методу расположены такие факторы, как количественные и качественные.

Уровнями фактора называют, когда каждый фактор принимает в эксперименте одно или несколько значений.

Эксперимент, в котором уровни факторов в каждом опыте задаются исследователем, в соответствии с определенным планом, является активным экспериментом. Эти факторы в основном управляемые. А если уровни факторов в каждом опыте регистрируются исследователем, но не задаются, называются пассивным.

К совокупности факторов эксперимента предъявляются требования независимости и совместимости. К независимым относится возможность установить значение любого из факторов на нужном ему уровне, независимо от уровней остальных факторов. Для совместимости применимость реализации в эксперименте любых комбинаций уровней факторов из области значений.

Значительную роль оказывает стратегия постановки опытов. Существуют две стратегии:

1. Однофакторный эксперимент. Влияние факторов подвергается исследованию поочередно: сначала варьируется один из них, при этом стабилизируются уровни всех остальных факторов, потом аналогичным образом варьируется только второй и т. д.

2. Многофакторный эксперимент. В отличие от первого состоит в том, что при переходе к каждому последующему опыту изменяются уровни не одного, а сразу несколько факторов. Варьируются все или почти все факторы одновременно.

На качество и процесс окорки горбыля зависит от множества факторов, это таких как:

1. Температура окружающей среды.

2. Сезон заготовленной древесины.

3. Породный состав.

4. Влажность горбылей.

5. Скорость подачи горбылей в зону окорки.

6. Скорость вала.

7. Геометрические размеры цепей.

8. Количество повторных исследований и т. п. Из всего выше перечисленного, применяем активный mhoi офакторнып эксперимент, для получения математического описания процесса окорки.

4.2.2 Методика проведения экспериментальных исследований Обоснование выбора плана эксперимента.

Как уже отмечалось выше, качество окорки горбыля зависит от множества факторов. В ходе проведения экспериментов по окорке были выбраны следующие варьируемые факторы:

Качественный — тип цепи. Применялось три вида отрезков цепей с различными геометрическими параметрами (шириной, шагом и калибром) (рисунок 4.4) с двойным перекрытием (рисунок 2.4). Отрезки гибких рабочих органов принимались согласно ГОСТа 2319 — 70, «цепи сварные круглозвенные грузовые и тяговые, нормальной прочности». Их геометрические характеристики представлены в таблице 4.1.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Проделанная работа позволяет сделать следующие основные выводы и предложить рекомендации для практического использования результатов исследований.

1. В настоящее время 40% отходов лесо-шпалопиления не используются в дальнейшей переработке из-за значительного содержания коры. Традиционные способы окорки энергоемки, капиталоемкие и не используются мелким и средним производителем. Наиболее рациональным способом окорки, нашедшим широкое применение за рубежом, является окорка с использованием гибких рабочих органов.

2. Проведенные экспериментальные исследования по определению физико-механических свойств коры применительно к обработке не окоренных лесоматериалов показали: а) напряжение скалывания коры находится в пределах: для сосныо т 0,23 до 0,66 МПадля лиственницы — от 0,52 до 1,43 МПа. С увеличением влажности напряжение скалывания уменьшается для всех направлений относительно осей анизотропии. б) коэффициент трения коры по стали находится в пределах: для сосны — от 0,133 до 0,396- для лиственницы — от 0,163 до 0,396. При равном удельном давлении коэффициент трения коры по стали увеличивается с увеличением влажности. С увеличением удельной нагрузки коэффициент трения в рассмотренных случаях уменьшается.

3. Размерные характеристики предмета труда составили среднее значения площадей поверхности, требующей окорки: а) отходы от лесопиления — 0,86 м2- б) отходы от шпалопиления — 0,765 .

Толщина коры изменяется в зависимости от длины хлыста: для сосныот 4 до 30 ммдля лиственницы — от 12 до 48 мм.

4. Определены зависимости действующих усилий при взаимодействии гибкого рабочего органа с предметом труда. Проведена экспериментальная проверка полученных уравнений. Расхождение не превышает 12%, что доказывает правильность теоретических предпосылок.

5. Экспериментальные и теоретические исследования позволяют дать следующие рекомендации по параметрам рабочего окорочного органа: а) в качестве гибких рабочих органов рекомендуется применять круглозвенные цепи по ГОСТ 2319– — 70, «цепи сварные круглозвенные грузовые и тяговые, нормальной прочности" — б) гибкие рабочие органы размещаются на вращающемся валу в два ряда по винтовой траектории со взаимным перекрыванием друг другав) длина гибких рабочих органов рекомендуется с количеством звеньев п=6. г) рекомендуется применять скорости: на подачи лесоматериала от 0.1 до 03 м/собработке рабочими органами от 18 до 22 м/с.

6. Экспериментальные исследования, но окорке отходов лесо-шпалопиления гибкими рабочими органами (на примере горбыля) подтвердили эффективность предложенных параметров окорочной головки. При окорке горбыля, увлажненного до 120%, степень очистки достигает 99%. При окорке без увлажнения 75% (горбыль взят непосредственно из потока лесо-шпалопильного цеха) удаляется 98% коры.

7. Разработан технологический процесс получения технологической щепы при переработке отходов в объеме 12 тыс м1 от цехов лесо и шпалопиления: горбыль подается на окорочный станок с гибкими рабочими органами. Окоренное сырье подается в рубительную машину, далее частицы щепы поступают иа сортировочную установку. На сортировке производится отделение кондиционной фракции от мелочи и крупной щепы. В конечном результате полученная щепа, пригодна для производства целлюлозы и других видов продукции. Проведены экономические расчеты по внедрению окорочной установки. Получаемая прибыль составляет 528 тыс. рублей в год при среднем годовом объеме работ 12 тыс. м3. Срок окупаемости дополнительного оборудования составил 1 год.