Уточненная модель влияния длины баланса, измельчаемого в дисковой рубительной машине, на размеры частиц древесной щепы

Размещено на http://www.allbest.ru/

УТОЧНЕННАЯ МОДЕЛЬ ВЛИЯНИЯ ДЛИНЫ БАЛАНСА, ИЗМЕЛЬЧАЕМОГО В ДИСКОВОЙ РУБИТЕЛЬНОЙ МАШИНЕ, НА РАЗМЕРЫ ЧАСТИЦ ДРЕВЕСНОЙ ЩЕПЫ

Колесников Геннадий Николаевич д.т.н., профессор

Девятникова Людмила Анатольевна к.т.н., доцент

Доспехова Наталья Анатольевна старший преподаватель

Васильев Сергей Борисович д.т.н., профессор

В статье предложена уточненная модель влияния длины бревен (балансов), измельчаемых в дисковой рубительной машине, на геометрические характеристики древесной щепы. В данной статье внимание фокусируется на том обстоятельстве, что длина любого баланса в процессе его измельчения уменьшается. По этой причине на финишной стадии данной технологической операции стандартный баланс с начальной длиной 1,2 м неизбежно трансформируется в короткомер, условия измельчения которого в рассматриваемой рубительной машине существенно отличаются от условий измельчения того же баланса на старте его измельчения. Задача учета этих изменений сведена к поиску решения трансцендентного уравнения. Результаты численного моделирования указывают на прогрессирующую тенденцию уменьшения угла скоса и увеличения длины частиц щепы с уменьшением длины измельчаемого бревна. Адекватность результатов моделирования подтверждена лабораторными исследованиями и производственным экспериментом. Измерения линейных и угловых размеров реальных частиц щепы показали, что длина такой частицы может быть равна 7 см, что в 3,5 раза больше стандартной длины, равной 2 см. Угол скоса плоскости среза данной частицы может составлть 14є, что примерно в три раза меньше стандартной величины, равной 39є- 43є. Обсуждается также сравнение с приближенным решением, которое было опубликовано в 2012 г. Статья может быть полезна для специалистов древесно-подготовительного цикла целлюлозно-бумажных комбинатов

Ключевые слова: ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ, ДРЕВЕСНАЯ ЩЕПА, ГЕОМЕТРИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ, ДИСКОВАЯ РУБИТЕЛЬНАЯ МАШИНА

Щепа является разновидностью измельченной древесины, характеристики которой определяются по ГОСТ 23246-78 «Древесина измельченная. Термины и определения». Из этих разновидностей щепа занимает доминирующее место по объемам производства и потребления. Щепа используется в качестве основного сырья в целлюлозно-бумажной промышленности, а также в производстве древесно-стружечных плит, в гидролизном производстве, используется в качестве топлива и в других целях. Чтобы обеспечить выполнение возрастающих требований рационального природопользования и конкурентоспособности выпускаемой продукции, характеристики щепы должны соответствовать требованиям каждого из потребителей. Основными являются требования к форме и размерам частиц щепы, получаемой на рубительных машинах путём измельчения круглых лесоматериалов определённой породы, длины и диаметра. В этой связи появляется многоплановая проблема совершенствования технологии производства щепы. Данная проблема включает в себя геометрические, механические [10, 11], технологические и другие аспекты. Комментарии к публикациям по данной теме можно найти, например, в обзорных частях работ [7, 9]. Материал данной статьи сфокусирован на геометрических аспектах проблемы. В оригинальной части статьи [7] теоретически показано, что по мере уменьшения длины баланса снижается качество щепы на выходе дисковой рубительной машины с гравитационной загрузкой. На качество вырабатываемой щепы влияет также конструкция ножей и ножевого диска рубительной машины [9, 13]. Анализ других возможностей повышения эффективности функционирования рубительных машин представлен в работах [6, 14, 15].

В данной статье, которая является продолжением работы [7], предложена уточненная модель влияния длины балансов, измельчаемых в дисковой рубительной машине, на геометрические характеристики древесной щепы. Соответствующая задача сведена к поиску решения трансцендентного уравнения. Адекватность результатов моделирования подтверждена лабораторными исследованиями и производственным экспериментом. В целях проверки адекватности приведено также сравнение с полученным в 2012 г. приближенным решением той же задачи [7].

Материалы, методы и результаты На фракционный состав и на качество щепы влияют особенности конструкции рубительной машины [6], доля короткомеров в потоке балансов, измельчаемых в рубительной машине [9] и другие факторы [8, 14, 15]. Короткомеры в рассматриваемом случае определены как отрезки бревен длиной не более 0,8 м. Очищенные от коры короткомеры и балансы стандартной длины (1,2 м) в общем потоке балансов до их загрузки в рубительную машину показаны на рисунке 1.

Рисунок 1 Короткомеры в потоке очищенных от коры балансов [7]

В работе [9] по результатам производственного эксперимента получены количественные оценки изменения качества щепы в зависимости от доли короткомеров в указанном выше потоке балансов. В данной статье, как и в работе [7], внимание фокусируется на том обстоятельстве, что длина любого баланса в процессе его измельчения уменьшается. По этой причине на финишной стадии данной технологической операции стандартный баланс с начальной длиной 1,2 м неизбежно трансформируется в короткомер, условия измельчения которого в рассматриваемой рубительной машине существенно отличаются от условий измельчения того же баланса на старте его измельчения. Как отмечено выше, приближенное (линеаризованное) решение появляющейся в этой связи задачи предложено в статье [7]. В ближайшем изложении предлагается более точное решение той же задачи. Для решения данной задачи использованы методы математического моделирования, измерения в лаборатории и производственные эксперименты. Схема образования частицы щепы показана на рисунке 2.

Рисунок 2 Схема образования частицы щепы

Более подробные данные о схемах образования частиц щепы приведены, например, в книге [6]. Толщина частицы щепы h_щ зависит от ряда факторов [6] и в данной работе не обсуждается. Длина частицы щепы l_щ связана с величиной зазора h соотношением l_щ= h/sin .₀. В известных схемах образования частицы щепы по умолчанию предполагается, что угол наклона продольной оси баланса равен .₀, т.е. равен углу наклона продольной оси загрузочного патрона рубительной машины к вертикальной плоскости (точнее - к плоскости вращения ножевого диска). На самом деле длина баланса в процессе его измельчения уменьшается и, как следствие, угол наклона продольной оси баланса уменьшается на величину.? (рисунок 3). Если диаметр баланса d равен попречному размеру загрузочного устройства D, то ???? однако на практике d<D.

Рисунок 3 Баланс диаметром d в загрузочном устройстве

Соответственно (см. рисунок 2 и 3),

Таким образом, с уменьшением длины баланса длина частиц щепы будет возрастать. Конструкция рассматриваемой рубительной машины такова, что угол.?.может принимать значения 0….₀. Тогда, если ??._?, то .??. Это означает, что продольная ось баланса параллельна плоскости вращения ножевого диска, т.е. имеет место скалывание древесины вдоль волокон. Соответствующие частицы щепы можно обнаружить методом рассева (рисунок 4).

Рисунок 4 Результаты лабораторного рассева: 1 - крупная некондиционная щепа; 2 - крупная кондиционная щепа; 3 - мелкая кондиционная щепа (с примесями некондиционных частиц); 4 - некондиционная фракция («иголки»); 5 - мелкая некондиционная фракция (опилки и пыль) [7].

Таким образом, задача оценки влияния длины баланса, измельчаемого в дисковой рубительной машине, на длину частиц древесной щепы, сводится к определению указанного в формуле (1) угла ?.

Чтобы определить ?, рассмотрим схему на рисунке 3. Находим: D=(c+d)cos?; sin?=(c cos?)/l=(D-d cos?)l. Как отмечено выше, конструкция рассматриваемой рубительной машины такова, что угол.?.может принимать значения 0….₀. Задавая значения D, d, l и численно решив уравнение

sin? = (D-d cos?)l, (2)

найдем ?. Затем длину частиц щепы (1).

Полученные по рассмотренной методике значения угла ? можно рассматривать как уточненные по сравнению с результатами вычислений по упрощенной (линеаризованной) методике [7], в которой предполагалось, что ?=0 (см. таблицы 1, 2, 3).

Таблица 1

Уточненные значения угла ?

Таблица 2

Приближенные значения угла ?

Таблица 3

Приближенные значения ? как доли уточненных значений

Приведем результаты вычислений угла . при .₀=37° ....(таблица 4 и рисунок 5). Оптимизация .₀ требует отдельного рассмотрения.

Таблица 4

Уточненное значение угла скоса частиц щепы

Рисунок 5 Влияние длины баланса на угол скоса частиц щепы (номера линий 1-9 соответствуют номерам строк в таблице 4)

баланс щепа рубительный машина

Обсуждение и оценка адекватности результатов моделирования. Адекватность результатов расчетов (рисунок 5), прогнозирующих прогрессирующую тенденцию уменьшения угла скоса частиц щепы с уменьшением длины измельчаемого баланса, подтверждена экспериментально. В эксперименте по измельчению древесины в рубительной машине были использованы балансы, торцы которых имели контрастную окраску по отношению к естественному цвету древесины в плоскости среза. По этой окраске были идентифицированы частицы щепы, полученных из торцовых частей короткомеров (рисунок 6).

Рисунок 6 Частицы измельчённой древесины, полученные в рубительной машине из баланса с окрашенной до измельчения торцевой частью. В центре рисунка показана частица, полученная при измельчении торцевой части баланса

Измерения линейных и угловых размеров частиц щепы показали, что длина такой частицы равна примерно 7 см, что в 3,5 раза больше стандартной длины, равной 2 см. Угол скоса плоскости среза данной частицы составляет примерно 14є, что примерно в три раза меньше стандартной величины, равной 39є- 43є. Наличие крупных частиц в потоке технологической щепы приводит к так называемым непроварам при получении целлюлозы. Поэтому массовая доля таких частиц в технологической щепе не должна превышать 3 % согласно ГОСТ 15815-83.

Как отмечено выше, длина баланса в процессе его измельчения в рубительной машине уменьшается от стандарнтной величины 1,2 м до нескольких сантиметров. Например, измерение длины частицы с окрашенной торцевой частью, показанной в центре рисунке 6, позволяет предположить, что длина баланса в процессе его измельчения может уменьшаться примерно до 7 см. Измельчение таких короткомеров реализуется в рубительной машине преимущественно скалыванием вдоль волокон, что ведет к появлению некондиционных частиц (рисунок 4).

Заключение

Анализ представленных выше результатов показал, что в целях повышения качества щепы и уменьшения количества отходов переработки древесины необходимо уменьшать долю короткомеров в потоке измельчаемых балансов [8, 9]. Оценка экономического эффекта приведена в [7]. Оптимизация .₀ требует отдельного рассмотрения с учетом ? (2). Поскольку исключить появление отходов при переработке древесины технически невозможно, то необходимо совершенствование технологий рационального использования данных отходов [1-5, 12, 16].

Список литературы

1. Андреев А. А., Колесников Г. Н. О рациональном соотношении количества опилок и стружки в древесно-це-ментном композите//Ученые записки Петрозаводского государственного университета. Сер.: «Естественные и технические науки». 2014. № 4 (141). С. 85-87. (http://elibrary.ru/item.asp?id=21649786).

2. Андреев А.А., Васильев С.Б., Колесников Г.Н., Сюнёв В.С. Влияние новой полимерно-минеральной добавки на прочность древесно-цементного материала для малоэтажного строительства // Актуальные направления научных исследований XXI века: теория и практика. 2014. № 2-2 (7-2). С. 292-296. DOI: 10.12737/3157 (http://elibrary.ru/item.asp?id=21359401).

3. Андреев А. А., Васильев С. Б., Колесников Г. Н., Сюнёв В. С. Уточнения к статье «Влияние новой полимерно-минеральной добавки на прочность древесно-цементного материала для малоэтажного строительства» // Сборник научных трудов по материалам международной заочной научно-практической конференции «Актуальные направления научных исследований XXI века: теория и практика». 2014. № 3-4 (8-4). С. 267-268. DOI: 10.12737/4386 (http://elibrary.ru/item.asp?id=21744446).

4. Андреев А.А., Колесников Г.Н. Совершенствование технологии использования отходов лесопильных предприятий в производстве древесно-цементных материалов для малоэтажного строительства // Фундаментальные исследования. 2014. № 6-6. С. 1139-1143. (http://elibrary.ru/item.asp?id=21618774).

5. Андреев А.А., Колесников Г.Н., Чалкин А.А. Древесно-цементный композит с добавкой стеатита как конструкционный и демпфирующий материал//Ученые записки Петрозаводского государственного университета. Серия: Естественные и технические науки. 2014. № 6 (143). С. 75-78. (http://elibrary.ru/item.asp?id=22370912).

6. Вальщиков Н.М., Лицман Э.П. Рубительные машины: монография // М: Лесная прмышленность. 1980. 96 с.

7. Васильев С.Б., Девятникова Л.А., Колесников Г.Н. Влияние изменения длины баланса, измельчаемого в дисковой рубительной машине, на размеры частиц древесной щепы // Политематический сетевой электронный научный журнал Кубанского государственного аграрного университета. 2012. № 81. С. 270-279. (http://elibrary.ru/item.asp?id=18038785).

8. Васильев С. Б., Доспехова Н. А., Колесников Г. Н. Модуль рольганга с технологической функцией интенсификации выделения короткомеров из потока балансов // Фундаментальные и прикладные исследования: проблемы и результаты. 2013. № 9. С. 145-149. (http://elibrary.ru/item.asp?id=20891366).

9. Васильев С.Б., Девятникова Л.А., Колесников Г.Н., Симонова И.В. Технологические решения для реализации потенциала ресурсосбережения при переработке круглых лесоматериалов на щепу//Петрозаводск, 2013. 92 с. (http://elibrary.ru/item.asp?id=21756172).

10. Колесников Г.Н. Дискретные модели механических и биомеханических систем с односторонними связями // Петрозаводский государственный университет. -Петрозаводск, 2004. (http://elibrary.ru/item.asp?id=19489337)

11. Колесников Г.Н., Раковская М.И. Энергетический критерий очередности перехода односторонних связей в действительное состояние // Обозрение прикладной и промышленной математики. 2006. Т. 13. С. 652.

12. Питухин А.В., Панов Н.Г., Колесников Г.Н., Васильев С.Б. Влияние добавки нанопорошка шунгита в клеевой раствор для изготовления трёхслойных древесностружечных плит на их физико-механические свойства // Современные проблемы науки и образования. 2012. № 4. С. 147. (http://elibrary.ru/item.asp?id=17882979).

13. Пасаман Б.Ф., Гунько Ю.Л Раціональні параметри дискових робочих органів рубальних машин // Сільськогосподарські машини. 2013. № 25. С. 101-105. (http://elibrary.ru/item.asp?id=21245321).

14. Facello, A., Cavallo, E., Magagnotti, N., Paletto, G., & Spinelli, R. (2013). The effect of chipper cut length on wood fuel processing performance. Fuel Processing Technology, 116, 228-233. DOI:10.1016/j.fuproc.2013.07.002

15. Lusth, H., Gradin, P., Hellstrцm, L. (2013) A theoretical model for the prediction of energy consumption during the chipper canter process. Nordic Pulp & Paper Research Journal, 28(2): 211-215. (http://www.diva-portal.org/smash/get/diva2:654808/FULLTEXT01.pdf).

16. Wood-cement material for low-rise building: use of the additive waste soapstone processing for increased strength at uniaxial compression / Aleksandr Andreev, Gennady Kolesnikov, Andrey Chalkin, Maria Zaitseva // Multidisciplinary Scientific Conferences SGEM 2014 (Section 15, Architecture and Design). Albena, Bulgaria (2-9 September, 2014).

Размещено на Allbest.ru