Совершенствование технологии роторной окорки лесоматериалов путем оптимизации основных параметров процесса

Размещено на http://www.allbest.ru/

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ РОТОРНОЙ ОКОРКИ ЛЕСОМАТЕРИАЛОВ ПУТЕМ ОПТИМИЗАЦИИ ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ ПРОЦЕССА

05.21.01. - Технология и машины лесозаготовок и лесного хозяйства

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени

доктора технических наук

ГАЗИЗОВ Асгат Мазхатович

Санкт-Петербург 2010

Работа выполнена на кафедре технологии лесозаготовительных производств Санкт-Петербургской государственной лесотехнической академии имени С.М. Кирова

Научный консультант - доктор технических наук, профессор Григорьев Игорь Владиславович

Официальные оппоненты - доктор технических наук, профессор Минаев Александр Николаевич

доктор технических наук, профессор Шегельман Илья Романович

доктор технических наук, профессор Герц Эдуард Федорович

Ведущая организация - Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московский государственный университет леса»

Защита диссертации состоится «___» я 2010 г. в _______ на заседании диссертационного Совета Д.212.008.01 в Северном (Арктическом) федеральном университете / 163002, Архангельск, набережная Северной Двины 17/.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Автореферат разослан «_____» сентября 2010 г.

Ученый секретарь

диссертационного Совета

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В настоящее время перед лесным сектором экономики РФ остро стоит ряд проблем, одной из которых, является повышение эффективности лесоэксплуатации и деревопереработки. Известно, что окорка древесины является одной из наиболее энерго- и трудоемкой операцией первичной лесопереработки, которая осуществляется на всех типах лесопромышленных складов.

Несмотря на многообразие различных расчетных схем по определению оптимальных технологических параметров окорки, следует признать, что теоретически, в рамках единой математической модели, взаимное влияние основных природно-производственных факторов и параметров управления на достижение качественных результатов окорки до настоящего времени изучено явно не достаточно. Наряду с этим, существующие методы расчета являются детерминированными и исходят из условия постоянства значений факторов влияния и параметров управления процессом окорки, тогда как эти величины в общем случае являются переменными и варьируются в широких пределах.

В результате выполнения окорки образуются значительные объемы отходов, которые в настоящее время не находят эффективного применения. Можно утверждать, что без возможности эффективной утилизации отходов, особенно при обработке хвойных пород, процесс окорки не может быть признан эффективным, иначе говоря, качественным. Данное утверждение наглядно подтверждается рядом составляющих известной петли качества. Учеными - лесохимиками разработаны технологические процессы утилизации отходов окорки хвойных пород, но для них требуется отдельно пробковый слой коры, и отдельно лубяной.

Эффективность выполнения окорки существенно сказывается на эффективности всей технологической цепочки лесопромышленного склада, имеющего такую операцию.

Развитие отраслевой науки должно быть направлены на создание «эффективной системы использования природных ресурсов». Именно это требование содержалось в одном из посланий Президента РФ Федеральному Собранию. Оно конкретизировано и развито в Концепциях развития лесного хозяйства и лесопромышленного комплекса, одобренных Правительством России. В Перечень Приоритетных направлений развития науки, технологий и техники в РФ, утвержденного Президентом РФ 21 мая 2006 г. Пр-843 включен пункт «Рациональное природопользование». Вышесказанное позволяет утверждать, что повышение эффективности окорки лесоматериалов является весьма актуальной проблемой.

Цель работы. Совершенствование технологии механической окорки лесоматериалов за счет обоснования основных параметров работы роторных окорочных станков для конкретных производственных условий.

Объект исследований. Кора и древесина основных лесорастительных пород. механический окорка лесоматериал роторный

Предмет исследования. Процесс механической окорки лесоматериалов в роторных окорочных станках.

Научная новизна работы. Разработанные и исследованные математические модели роторной окорки, отличающиеся оценкой параметров деформаций элементарного объема сплошной среды и обобщенных диаграмм Мора, позволяют оценить нормальные и касательные компоненты приведенного давления в толще массива коры и условия его разрушения на границе с древесиной различных пород.

Значимость для теории и практики. Математические модели роторной окорки и результаты их исследования углубляют теорию механической окорки круглых лесоматериалов и технологии лесозаготовительного и деревообрабатывающего производств. Предложенная методика расчета и управления основными параметрами процесса позволяет разрабатывать организационные, технологические и технические мероприятия, обеспечивающие стабильность качественных показателей окорки круглых лесоматериалов на роторных окорочных станках.

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 Научной конференции профессорско-преподавательского состава БГАУ (Уфа, 1993 г.); Международной научной конференции «Лес - 2000» (Брянск, 2000 г.); Научно-практической конференции «Интеграция науки, образования и производства для развития лесного хозяйства и лесопромышленного комплекса» (Воронеж, 2001 г.); Всероссийской научно-практической конференции «Повышение эффективности и устойчивости развития АПК» (Уфа, 2005 г.); Международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы лесного комплекса» (Брянск, 2008 г.); Всероссийской научно-практической конференции «Интеграция аграрной науки и производства: состояние, проблемы и пути решения» (Уфа, 2008 г.); Первой и второй международных научно-практических Интернет конференциях «Леса России в XXI веке» (Санкт-Петербург, 2009 г.); Международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы развития лесного комплекса» (Вологда, 2009 г.); Межвузовской научной конференции «Молодая мысль: Наука. Технологии. Инновации» (Братск, 2009 г.); Международной научно-практической конференции «Современные проблемы лесозаготовительных производств, производства материалов и изделий из древесины: пиломатериалы, фанера, деревянные дома, заводского изготовления, столярно-строительные изделия» (Санкт-Петербург, 2009 г.); Всероссийской научно-практической конференции аспирантов, соискателей и докторантов (МГТУ, г. Майкоп, 2008 г.); и ежегодных научно-технической конференции Санкт-Петербургской государственной лесотехнической академии имени С.М. Кирова в 2007_2009 гг. Часть материалов работы вошла в проект «Селективная окорка лесоматериалов», который по итогам конкурса на лучшие инновационные проекты в сфере науки и высшего образования в 2009 году, проводимого Комитетом по науке и высшей школе Санкт-Петербурга, признан победителем в номинации «Лучшая научно-инновационная идея». Часть материалов работы получена при выполнении 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.

Публикации. Материалы диссертации опубликованы в сорока печатных работах, включая одну монографию. Десять статей опубликованы в журналах, рекомендованных ВАК РФ для публикации результатов докторских диссертаций. Результаты исследований отражены в научно-технических отчетах по НИР.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 6 глав, основных выводов и рекомендаций, списка литературы. Общий объем работы 350 страниц. Диссертационная работа содержит 93 рисунка, 26 таблиц. Список литературы содержит 319 наименований.

На защиту выносятся следующие положения:

· Разработанная математическая модель роторной окорки, основанная на механизмах деформаций элементарного объема сплошной среды и построении обобщенных диаграмм Мора, позволяющая оценить нормальные и касательные компоненты приведенного давления в толще массива коры и условия его разрушения на границе с древесиной различных пород деревьев.

· Установленные количественные соотношения зависимости величины приведенного давления от угловых, силовых и кинематических параметров управления процессом окорки, позволяющие произвести сравнительный анализ степени их влияния на достижение заданного качества отделения коры от древесины.

· Детерминированный метод оценки влияния влажности, температуры, диаметра бревна, величины сбега на достижение необходимой и достаточной удельной силы окорки.

· Метод расчета параметров селективной роторной окорки лесоматериалов при использовании типоразмерного ряда двухроторных окорочных станков, учитывающий отличительные особенности разрушения слоев корки и луба различной толщины, позволяющий обосновать выбор угловых и геометрических характеристик короснимателя в сочетании с силовыми параметрами, обеспечивающие процесс селективной окорки лесоматериалов.

· Методика оценки экономической эффективности внедрения селективной окорки на предприятиях лесопромышленного комплекса.

· Стенд для исследования процесса окорки лесоматериалов, предназначенный для измерения и регистрации показателей процессов, характеризующих режимы работы роторного окорочного станка и свойства массива коры лесоматериала.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении сформулирована актуальность темы диссертационной работы, определена цель исследований, изложены научная новизна, значимость для теории и практики, сформулированы основные положения выносимые на защиту.

1. Состояние проблемы и задачи и исследования.

В разделе произведен обзор и анализ литературных источников по повышению качества и эффективности окорки. Рассмотрено место окорки в современных технологических процессах лесозаготовительного и деревообрабатывающего производства; дан сравнительный анализ способов окорки круглых лесоматериалов; выполнен анализ типоразмерных рядов роторных окорочных станков и их инструментального оснащения. Проанализировано влияние строения и состояния коры на параметры процесса окорки. Сделан обзор авторских свидетельств и патентов по окорочно-зачистным станкам и устройствам к ним. Критически проанализированы современные методы расчета параметров процесса окорки древесины.

Фундаментальный вклад в теорию окорки лесоматериалов внесли С.П. Бойков, С.Б. Васильев, А.В. Житков, Б.Г. Залегаллер, В.Д. Никишов, Л.М. Перелыгин, Г.И. Торговников, Б.Н. Уголев, М.Н. Симонов, Н.Л. Леонтьев, И.Р. Шегельман, Н.Ф. Пигильдин, Ф.И. Копернн и др. ученые СПбГЛТА, МГУЛ, ВГЛТА, ПетрГУ, ЦНИИМЭ, КарНИИЛПКа и др.

Анализ НИР показал, что, несмотря на многообразие различных расчетных схем по определению оптимальных технологических параметров окорки, теоретически, в рамках единой математической модели, взаимное влияние основных факторов и параметров управления на достижение качественных результатов окорки до настоящего времени изучено не достаточно. Существующие методы расчета являются детерминированными и исходят из условия постоянства значений факторов влияния и параметров управления процессом окорки, тогда как эти величины в общем случае являются переменными и варьируются в широких пределах.

На основании анализа сформулированы выводы и задачи исследования:

1. Разработать и исследовать математические модели роторной окорки круглых лесоматериалов, с учетом механизмов деформаций элементарного объема сплошной среды, основанные на построении обобщенных диаграмм Мора.

2. На основе построенной математической модели, получить количественные соотношения зависимости величины приведенного давления от угловых, силовых и кинематических параметров управления процессом окорки, позволяющие произвести сравнительный анализ эффективности их применения и степени влияния на достижение заданных качественных показателей отделения коры от древесины.

3. Обосновать детерминированный метод оценки влияния влажности, температуры, диаметр бревна, величины сбега на достижение необходимой и достаточной удельной силы окорки.

4. Для реальных производственных условий, при которых факторы влияния и параметры управления процессом окорки являются переменными величинами и варьируются в широких пределах, разработать вариационный метод расчета, устанавливающий допустимые диапазоны их вариаций, и пределы в которых обеспечивается стабильность качественных показателей окорки.

5. Разработать метод расчета параметров процесса селективной роторной окорки лесоматериалов при использовании типоразмерного ряда двухроторных окорочных станков, учитывающий отличительные особенности разрушения слоев корки и луба различной толщины, позволяющий обосновать оптимальный выбор угловых и геометрических характеристик короснимателя в сочетании с силовыми параметрами.

6. Разработать и изготовить стенд для измерения и регистрации основных параметров процесса роторной окорки круглых лесоматериалов.

7. Экспериментальным путем исследовать процессы, возникающие при роторной окорке круглых лесоматериалов, с целью получения данных об адекватности разработанных математических моделей.

8. Разработать показатели и методы оценки качества окорки круглых лесоматериалов.

9. Разработать методику экономической оценки повышения качества окорки круглых лесоматериалов.

2. Методика оценки и управления эффективностью работы окорочного оборудования

В данной главе обоснована методика оценки и показателей эффективности работы окорочных станков, дана оценка качества окорки, рассмотрено применение петли качества для оценки работы окорочного оборудования, приведена методика управления качеством работы окорочного оборудования, выполнено обоснование необходимости внедрения селективной окорки круглых лесоматериалов. Установлено, что отделенные друг от друга в процессе окорки пробковый и лубяной слои коры основных лесообразующих древесных пород могут являться ценными полуфабрикатами для производства различных товаров для народного хозяйства. Показано, что до настоящего времени не разработано технологий эффективной утилизации отходов окорки хвойных деревьев, включающих пробку и луб.

3. Теоретические исследования процесса разрушения коры при роторной окорке древесины

При окорке круглых лесоматериалов в сложных условиях, характеризуемых факторами влажности (W,%), температуры (T,^oC), большими диаметрами бревна (d_б, м) и рядом других, эффективность процесса отделения коры при использовании роторных станков зависит от большого числа параметров, в ряде случаев противоположного действия. Основными из этой совокупности параметров являются угловые, силовые и кинематические параметры окорки.

Математическая модель процесса роторной окорки и исследование способов управления его параметрами

Рассмотрим процесс отделения коры от древесины с помощью скребкового короснимателя при следующих угловых параметрах (рис. 1, а). Примем в качестве угла окорки (резания)- угол д>р/2 между передней гранью кулачка и плоскостью, касательной к поверхности бревна диаметром d_б в месте контакта ее с рабочей кромкой, а за установочный угол резания д_о > р/2 примем угол между передней гранью кулачка и плоскостью, проходящей через ось качания и рабочую кромку. Выбор угловых характеристик определяется: диаметром бревен d_б и параметрами станка _ расстоянием от оси качания короснимателей до рабочей кромки (L) и диаметром оси ротора (R).

Отделение коры от древесины происходит путем реализации механизма сдвига под действием давления передней грани кулачка. Рассмотрим нормальную силу F_с, перпендикулярную к плоскости передней грани, и действующую на участок коры толщиной h_к с площадью контакта Дs (рис. 1, б), величина которой зависит от геометрических и угловых параметров рабочей кромки короснимателя и диаметра бревна d_б. Указанная сила связана с силой прижима короснимателя F₁ соотношением:

. (1).

Нормальной силе F_с препятствуют две силы (рис. 1 б): Т₁ _ сила трения коры о коросниматель

, (2)

где м_тр _ коэффициент трения и Т₂ _ сила внутреннего сцепления частиц коры (С):

, (3)

k_ц=tgц _ коэффициент внутреннего трения.

Суммируя силы Т₁ и Т₂ и, разделив результат на площадь контакта Дs, определим величину горизонтального давления q_г.



Рис. 1 Схема разрушения массива коры: а) взаимодействие короснимателя с корой; б) слой коры под давлением; в) предельные круги Мора; 1-древесина; 2- кора; 3-коросниматель; 4- окоренная поверхность

Зависимость давления q_г от вертикального давления q_в установим с помощью обобщенной диаграммы Мора с учетом уменьшения силы внутреннего сцепления вследствие сокращения площади контакта при увеличении сдвига частиц коры:

, МПа, (4)

где j ? b_к _ сдвиг частиц коры, предельное значение которого равно величине подачи бревна Д за 1 оборот короснимателя; b_к - ширина снимаемой коры. Необходимо отметить, что в пределе отношение , т.е. оно является обратной величиной коэффициента перекрытия K_п.

Таким образом, анализ соотношения (4) показывает, что при деформации сдвига j= b_к значение сил внутреннего сцепления снижается до нуля.

Диаграмма Мора для двух кругов предельных напряжений с диаметрами соответственно равными пределу прочности на разрыв у_р и у_сж представлена на рис. 1, в. Секущая S_т, проходящая через вершины А и В окружностей, в первом приближении представляет собой огибающую кругов Мора, т.е. угол ее наклона к оси Ох примем за ц (k_ц =tgц), а ординату точки пересечения с осью Оу _ за сцепление С. В этом случае, когда наряду с сжимающими (отрицательными) напряжениями присутствуют растягивающие (положительные), величины С и ц следует рассматривать не как истинные физические характеристики, а как параметры аппроксимированной диаграммы сдвига, отражающие влияние сцепления и угла внутреннего трения на развитие процесса разрушения.

Тогда получим соотношения для определения параметров С и k_ц:

. (5)

Вертикальное давление q_в, действующее на переменный слой h_с коры, определим из решения задачи о вдавливании штампа (рис. 1, б).

Деформация (дифференциал dh_с) элементарного слоя в направлении Z действия q_в равна:

, (6)

где: Е - модуль общей деформации коры при отсутствии сдвига, равный начальному давлению q₀ при h_с=h_r, где h_r _ величина углубления рабочей кромки короснимателя в массив коры; ; _ геометрический параметр короснимателя (штампа).

Наряду с абсолютными значениями h_с и h_к будем рассматривать их относительные величины и .

Интегрируя выражение (6) по переменной Z в пределах деформируемого слоя, получим соотношение для определения вертикального давления q_в с учетом коэффициента уплотнения k_y, отражающего увеличение общей деформации массива коры при погружении ядра уплотнения:

. (7)

Коэффициент уплотнения может быть учтен через несущую способность среды, через коэффициент k_ц внутреннего трения, и через коэффициент k_пр пористости до начала деформации (k_пр=1+е₀, где е₀ _отношение объема пор в массиве коры к объему твердых частиц) и его изменение в процессе линейного деформирования. Последний подход применительно к деформации коры наиболее целесообразен. Поэтому принимаем, что уплотнение происходит пропорционально величине .

Установленные соотношения (4) и (7) позволяют определить (рис. 1, б) приведенное давление _ интегральную характеристику нагрузки в произвольной точке массива коры под совокупным сжимающим действием вертикального и горизонтального давлений.

В качестве критерия качественного отделения коры принимается следующее условие: на границе раздела кора-древесина величина приведенного давления достигает величины предельной характеристики прочности на скалывание у_ск, т.е. должно выполнятся условие:

. (8)

Принимая во внимание, что значение у_ск коры отличается от аналогичной характеристики для древесины в 2_10 раз, в зависимости от породы, влажности и температуры, можно заключить, что принятое условие (8) обеспечит качественную окорку на полную глубину без повреждения заболонного слоя древесины.

Для апробации разработанной модели были выбраны несколько пород древесины, отличающихся как по физико-механическим свойствам, так и по условиям деформирования в соответствии с диаграммами Мора. Для семи различных древесных пород был выполнен расчет С и k_ц, который показал, что минимальной характеристикой сцепления обладает кора лиственницы, максимальной - осины и дуба. Кора хвойных деревьев характеризуется достаточно узким диапазоном изменения величины С=1,4_1,61 МПа. Диапазон изменения величины внутреннего трения достаточно широкий и изменяется на порядок от минимального значения k_ц=0,08 для осины до максимальной величины k_ц=0,8 для коры березы.

Учитывая различия в плотностях, прочностных характеристиках и параметрах диаграмм Мора, для сравнительного анализа были выбраны три породы древесины: сосны, осины и березы. Выбор этих пород обусловлен и тем обстоятельством, что, основываясь на известных регрессионных уравнениях зависимости толщины коры h_к от d_б, при заданном диаметре бревна, в частности d_б=0,4м, толщина их коры практически совпадает и равна соответственно h_к=12,8, 12,1 и 12,4 мм. Это позволило на данном этапе исследований исключить при проведении сравнительного анализа фактор влияния диаметра бревна.

На рис. 2 представлен характер изменения вертикального q_в, горизонтального q_г и приведенного давлений в массиве коры березы с ростом толщины h_с снимаемого слоя (% от толщины коры h_к). Приведенные данные соответствуют следующим параметрам окорки свежесрубленного бревна диаметром d_б=0,4м на станке ОК-63: скорость подачи u_п=0,45 м/с; F₁=800 Н; число короснимателей _ 4; число оборотов в минуту _ 135, частота вращения ротора - 2,7 с^-1; L= 0,366 м, его задний и передний углы - соответственно 0,785 и 0,25 рад.; д=2,02 рад.; радиус заточки _ 0,0015 м; h_r=0,0016 м; b_к=0,05 м; K_п =1, k_пр=1,25, м_тр=0,3. При таких параметрах удельная сила окорки достигает =22,17 кН/м.

Для данных условий окорки березы величина предела прочности у_ск коры поперек волокон по камбиальному слою при Т=0^оС принимается равной 1,42, а древесины- 3,86 МПа. Таким образом, на основании анализа данных рис. 2 можно отметить, что достигнутое значение приведенного давления =0,81 МПа составляет лишь 57% от величины у_ск, т.е. условие (8) не выполняется и параметры окорки нуждаются в корректировке.

Рис. 2 Изменение давления в массиве коры березы: 1 _ изменение вертикального q_в давления; 2 _ изменение горизонтального q_г давления; 3 _ изменение приведенного давления

Сравнение, для аналогичных условий окорки, характера изменения приведенного давления в массиве коры для трех пород древесины: сосны, осины и березы показало, что величина у_ск для первых двух пород составляет, соответственно у_ск=0,33 и 0,79 МПа. То есть, принятые параметры окорки обеспечат выполнение условия (8) только для массива коры сосны. Причем в этом случае они нуждаются в существенной корректировке в сторону снижения величины . Для качественной окорки осины, в отличие от березы, требуется незначительное увеличение давления.

Рассмотрим три основных способа изменения величины (управления процессом разрушения массива коры) путем изменения: 1) угловых, 2) силовых, 3) кинематических параметров окорки.

Управление угловым параметром. Задаваясь диапазоном изменения угла окорки д=1,74_2,35 рад при фиксированных значениях остальных параметров, была получена функциональная логарифмическая зависимость величины от д. Которая, в частности, показала, что для условий окорки березы, при постоянной силе прижима F₁=800 Н, за счет изменения углового параметра удельная сила окорки изменялась от 8,6 до 35,87 кН/м. Однако достигнутое значение =1,21 составляет лишь 86% предельной характеристики прочности у_ск. И только увеличение силы F₁ до 1000 Н (соответственно силы до 44,84 кН/м) обеспечивает выполнение условия (8).

Полученные результаты позволили провести исследования степени влияния угла окорки на выполнение критерия (8) для различных пород. Для этого необходимо установить зависимость безразмерной функции от размерного угла д, после чего производная будет являться характеристикой искомой интенсивности (степени влияния). На рис. 3 представлены графики зависимости от д для сосны, осины и березы. Линейный характер зависимостей позволяет сделать вывод о том, что производные являются угловыми коэффициентами прямых и составляют соответственно 3,74, 1,07 и 3,24. Эти данные показывают, в частности, что при прочих равных условиях окорка сосны и березы характеризуется существенно большим влиянием углового фактора, чем окорка осины.

Управление силовым параметром. На рис. 4 для условий окорки березы представлен функциональный линейный характер изменения приведенного давления от силы F₁. Как видно, увеличение F₁ до 1600 Н обеспечивает выполнение критерия (8). Удельная сила составила =44,33 кН/м. Этот результат, при его сравнении с соответствующим показателем =44,84 предыдущего (углового) способа управления, свидетельствует о том, что параметр является характеристикой сопротивления массива коры разрушающему действию короснимателя и не зависит от способа управления процессом окорки. Результаты исследований по установлению степени влияния силы прижима F₁ на процесс окорки по аналогии с влиянием угла д представлены на рис. 5, где отложены значения относительного критерия , и F₁, Н.



Рис. 3 Влияние угла окорки на процесс разрушения коры: 1 - сосны; 2 - осины; 3 - березы

Рис. 4 Зависимость величины приведенного давления от силы прижима

Сравнивая данные рис. 5 и 3, отметим качественное совпадение влияния параметров управления, при имеющихся двух количественных отличия: во-первых, изменилась в сторону увеличения пропорция степени относительного влияния (отношение угловых коэффициентов прямых) и, во-вторых, диапазон изменения для углового параметра (=1_2,9) значительно шире соответствующего диапазона для силового (=1_1,8). Это означает, что результаты процесса разрушения коры в большей степени зависят от изменения угловых параметров, чем силовых.

Управление кинематическим параметром. Зафиксируем угол окорки и силу прижима: д=1,74, F₁=800Н. Переменной величиной является скорость u_п подачи бревна в диапазоне u_п=0,25_0,45м/с (K_п =1_2).

Рис. 5 Влияние силы прижима на процесс разрушения коры: 1 - сосны; 2 - осины; 3 _ березы

На рис. 6 в рамках вышеотмеченных (рис. 3 и 5) обозначений для трех пород древесины представлены , и u_п. Как видим, кинематический параметр при окорке осины по степени влияния существенно превысил аналогичные результаты для сосны и березы, тем самым, компенсируя слабое влияние углового и силового параметров. Необходимо отметить уменьшение пропорции степени относительного влияния, т.е. кинематический параметр уменьшает дифференциацию в развитии процесса разрушения коры различных пород. В тоже время, диапазон изменения расширился до значения =1_4,5, что свидетельствует о том, что данный параметр оказывает существенное влияние на процесс разрушения коры.



Рис. 6 Влияние скорости подачи на процесс разрушения коры: 1 - сосны; 2 - осины; 3 - березы

Таким образом, разработанная модель позволяет исследовать развитие процесса разрушения коры различных пород, с учетом изменения и взаимного влияния угловых, силовых и кинематических параметров роторной окорки. Основываясь на данной модели, представляется возможным исследовать влияние основных факторов (влажности, температуры, диаметра и др.) и их вариаций на эффективность процесса роторной окорки различных лесоматериалов.

Модель влияния влажности на разрушение коры при роторной окорке

По своей структуре, как известно, кора деревьев представляет собой многослойный материал, состоящий из корки, луба и камбия. С позиции механики сплошных сред каждый слой и кора в целом представляют собой трехкомпонентную среду, содержащую: 1) твердую (перидерма, рыхлая паренхима, каменистые клетки, волокна); 2) жидкую (вода, при низких температурах - лед); 3) газообразную (защемленный воздух) компоненты.

Известно, что кора легко отделяется при положительных температурах, а также при влажности не менее 40_50%. Однако процесс образования окоренной поверхности сухого или мерзлого сырья усложняется и характеризуется проявлением слабо изученных механизмов смятия, уплотнения коры с последующим сдвигом вдоль плоскости раздела кора-древесина.

Таким образом, на процесс отделения коры, помимо соотношения деформационных и прочностных характеристик, оказывают влияние ее влажность (W,%) и температура (Т^о,С), поскольку вода и лед обладают различной сжимаемостью. Наряду с этим агрегатное состояние влаги характеризуются проявлением отличных друг от друга упругопластических и вязких свойств, что существенно изменяет прочность адгезионных связей между твердыми компонентами коры и заболонного слоя древесины.

На данном этапе исследований была дана оценка влияния влажности на развитие процесса разрушения коры. В результате статистической обработки физико-механических свойств коры различных древесных пород установлено, что существует корреляционная связь между величинами у_сж и с_k, тогда как между у_р и с_k она статистически не значима. В результате расчетов была установлена зависимость увеличения относительной величины предела прочности на сжатие от относительного увеличения плотности по сравнению с начальным состоянием, которую с коэффициентом детерминации R²= 0,63 можно выразить в виде:

= 2,62 - 1,7151. (9)

С увеличением влажности W вода в порах коры замещает защемленный воздух, что с учетом различий их плотности приводит к росту плотности коры в целом. Чем выше начальная плотность сухой коры с_kо, тем меньший объем воды проникнет в ее поры, т.е. в меньшей степени произойдет относительное увеличение плотности коры в зависимости от ее относительной влажности . И наоборот, низкоплотная сухая кора ели, сосны, лиственницы и других материалов интенсивно поглощает влагу и тем самым увеличивает плотность.

Обобщив известные опытные данные для коры четырех пород - ели, сосны, березы и лиственницы _ в комлевой и срединной частях хлыста, установлен логарифмический закон связи () для всех пород деревьев. Расчеты для различных пород деревьев показали, что коэффициент при натуральном логарифме (для ели он равен K_w=0,6724) является функцией начальной плотности коры с_kо.

В итоге получена зависимость () в виде:

(10)

Зависимость (10) отличается от известной теоретической зависимости = 1+W, полученной для оценки влияния влажности на плотность трехкомпонентной среды и более полно отражает протекание этого сложного процесса.

При анализе физико-механических свойств коры различных пород выделяется широкий диапазон изменения характеристики сцепления лиственных деревьев (С=1,18_5,77 МПа), тогда как кора хвойных деревьев характеризуется более узким диапазоном изменения величины С=1,4_1,61 МПа. Разрушение коры зависит от величины сцепления С, которая, как показывает взаимосвязь соотношений (9)_(10), в свою очередь, зависит от влажности W. Полученные исходные данные о влиянии W на характеристики коры позволили перейти к рассмотрению вопроса оценки влияния влажности среды на механизм развития разрушения массивов коры различных пород. Для сопоставительного анализа были выбраны кора сосны, осины и березы для условий окорки свежесрубленного (W=100-130%) бревна диаметром d_б=0,4м на станке ОК-63.

Рассмотрим влияние W на развитие процесса разрушения через механизм зависимости у_ск(W), учитывая, что у_ск снижается по мере увеличения относительной влажности . Степень этого снижения была определена при обработке известных опытных данных статистическими методами распознавания образов для различных пород деревьев.

Анализ показал, что рост W сильнее сказывается на снижении прочности, чем на увеличении давления в слое коры, в связи с чем, зависимость критерия S(W) - практически линейная, положительная. Предельное состояние (S1) наблюдается при снижении W до 50%. Полученные результаты показали, что чем меньше исходная плотность коры, тем больше влияние влажности на параметры процесса разрушения.

Оценка интенсивности влияния W на S выполнялась посредством производной dS/dW, поскольку в силу линейной связи S(W) производная является угловым коэффициентом наклона прямых. Установлено, что при плотности коры сосны более, чем в 2 раза ниже плотности коры березы, степень влияния влажности на процесс ее разрушения в 4 раза превосходит этот показатель при разрушении высокоплотной коры березы по мере насыщения ее водой. Таким образом, разработанная на данном этапе математическая модель позволяет аналитически учесть влияния влажности коры различных пород на развитие процесса ее разрушения.

Влияние температуры среды на эффективность роторной окорки. Рассмотрим влияние на процесс отделение коры от древесины фактора низкой температура (Т<0^оС) окружающей среды, поскольку вода и лед обладают различной сжимаемостью, а также отличаются упругопластическими и вязкими свойствами. Разрушение коры происходит в глубине массива по наиболее слабому камбиальному слою. Коросниматель, внедряясь в кору, разрушает вначале корку и луб, влажность и прочностные характеристики которых, существенно отличаются от камбия.

С понижением температуры внутреннее сцепление частиц С будет усиливаться. При отрицательных температурах (T<0) вода в порах замерзает, а величина С во многом зависит от изменения сил сцепления льда с твердыми компонентами коры. В результате анализа данных об изменении относительной величины внутреннего сцепления в зависимости от относительной плотности материала при различных отрицательных температурах, для любых значений температуры, получена зависимость:

= 0,33 еxp{ (-0,04Т+1,07) }. (11)

Полученные соотношения являются основой для расчета величины приведенного давления и в случае анализа процесса разрушения коры при понижении температуры Т. Для использования критерия разрушения (3) необходимо уточнить влияние Т на величину предела прочности коры на скалывание у_ск. Статистическая обработка известных опытных данных позволила установить корреляционные зависимости у_ск(Т) для широкого ряда свежесрубленных (W ? 100%) материалов коры различных пород. Необходимо также учитывать то обстоятельство, что величины у_ск зависит не только от Т, но и диаметра бревна d_б, поскольку от последнего зависит толщина коры и степень ее насыщения влагой (льдом). Известные экспериментальные исследования на образцах летних и зимних бревен диаметром d_б =0,08_0,2м для различных пород позволили установить зависимости у_ск(d_б). Полученные результаты позволили сделать ряд выводов: во-первых, установлен линейный характер возрастания относительной прочности коры с увеличением относительного диаметра, т.е. масштабный эффект среды разрушения является весьма существенным; и, во-вторых, что проявление этого масштабного эффекта в зимнее время существенно выше, чем при окорке бревен при положительной температуре.

На основании полученных результатов стало возможным оценить влияние фактора понижения температуры среды на механизм разрушения массива коры различных пород. Апробация модели при изменении Т от 0 до -20^оС выполнена для окорки сосны на станке ОК-63. Некоторые характеристики процесса принимались переменными в следующих пределах: d_б=0,1-0,63м, u_п=0,15-0,6 м/с, F₁=730_2900 Н, д=1,74_2,35 рад.; щ=135-180 об/мин, задний и передний углы короснимателя - 0,44 и 0,25 рад., K_п=1_4.

На рис. 7 показан характер изменения величины по мере увеличения глубины снимаемого слоя коры (в % от h_k) для четырех температурных состояний. Данные соответствуют следующим значениям параметров окорки: d_б =0,4м; u_п=0,3м/с; F₁=730 Н; д=1,74 рад.; щ=180 об/мин; K_п=2. Полученные результаты сопоставлены с предельной характеристикой прочности у_ск сосны для данных условий, которая по мере снижения Т от 0 до -20^оС возрастает и составила соответственно у_ск=0,34; 0,76; 1,12 и 1,66 МПа.

Рис. 7 Изменение приведенного давления в массиве коры сосны: 1-Т=0; 2-Т=-5; 3-Т=-10; 4-Т=-20^оС

Сравнительный анализ показывает, что предельное условие (8) качественной окорки на полную глубину выполняется до значения Т=-7^оС (удельная сила окорки достигает величины =16,8 кН/м). Дальнейшее снижение Т требует адекватной корректировки параметров окорки в направлении увеличения давления и выполнения условия (8).

В рамках разработанной модели принимаем, что основными параметрами управления величиной являются: угловой, силовой и кинематический, т.е. путем изменения одного параметра при постоянстве остальных стремимся к выполнению условия (8). Установлено, в частности, что при снижении Т до -15^оС и ниже для обеспечения качественной окорки необходимо увеличить угол д до 2,05рад (в 1,18 раз) и силу прижима F₁- до 2000Н (в 2,74 раза), а также снизить скорость подачи u_п до 0,15м/с (в 2 раза), увеличив тем самым K_п до 4. В совокупности эти меры приводят к тому, что удельная сила окорки возрастает до =45,9 кН/м. Зависимость (Т) практически функциональная и подчиняется параболическому закону. Фактор температуры в большей степени отражается на силовом и кинематическом параметрах, чем на угловом.

Наиболее важным моментом в процессе разрушения сплошного мерзлого массива при изменении внешней среды является переход температуры Т через нулевое значение. В этой связи поставлена задача изучения процесса разрушения коры в узком диапазоне изменения Т: от 2 до -6 ^оС, поскольку в этом промежутке происходит фазовое превращение жидкости.

Разработанная модель расчета была реализована на примере трех пород древесины - сосны, осины и березы при следующих параметрах окорки: d_б=0,4м; u_п=0,45м/с; F₁=730_2900 Н; д =1,74_1,9 рад.; щ=135 об/мин; K_п=1, т.е. при постоянном перекрытии путем управления угловым параметром в узком диапазоне и, в основном, за счет силового параметра F₁ обеспечивали выполнение критерия полной окорки (8). В качестве интегральной характеристики процесса разрушения принято достигнутое значение удельной силы .

Расчет удельной силы окорки с понижением температуры вблизи нулевого значения для различных древесных пород показал, что, в наибольшей степени изменение температуры сказывается на параметре при окорке осины. Объяснение этому - максимальное значение характеристики внутреннего сцепления С осины и установленное влияние Т на величину С в соответствии с полученным соотношением (11).

Результаты расчета показали, что линейный характер зависимости (Т) удовлетворительно описывает процесс до значения Т=-7 ^оС. При дальнейшем понижении Т наблюдается нелинейный характер увеличения силы. Кроме этого, что при переходе через нулевую температуру по мере увеличения прочности коры проявляется локальный скачок (максимум) удельной силы . Это наглядно видно, например, (рис. 8) при сравнительном анализе результатов окорки осины и березы. Можно сделать вывод, что диапазон изменения Т при переходе через нулевую отметку влияет на изменение внутреннего состояния массива коры и развитие процесса его разрушения при роторной окорке.

Таким образом, разработанная математическая модель позволяет исследовать механизм процесса разрушения массива коры при отрицательных температурах окружающей среды. Учет глубины деформируемого массива позволил дифференцированно подойти к оценке сопротивления разрушающей нагрузки каждого отдельного слоя коры, обладающего различной влажностью, прочностью, пористостью и способностью накапливать и удерживать лед.

Поскольку толщина коры определяется диаметром бревна, механизм разрушения слоев массива зависит от данного фактора и заслуживает более детального внимания.



Рис. 8 Характер изменения силы при переходе через Т=0^оС: 1 - осина; 2 _ береза

Влияние диаметра бревна на развитие механизма роторной окорки. Анализ регрессионных известных зависимостей позволил получить связь между h_к и d_б для различных пород. Очевидно, что чем толще кора древесины, тем сложнее развитие механизма силового воздействия на нее короснимателя. Геометрические параметры d_б и h_к бревна предопределяют достижение необходимой удельной силы окорки . Помимо силовых факторов, необходимо учесть влияние диаметра бревна на кинематические параметры окорки. Толстые бревна рекомендовано окаривать на меньших скоростях подачи u_п, снижая при необходимости частоту вращения ротора и увеличивая угол окорки. Это связано с тем, что при входе толстых бревен на больших скоростях наблюдаются динамические явления, приводящие к деформациям короснимателей и износу подшипников ротора.

Кора представляет собой анизотропный слоистый массив с переменными по глубине физико-механическими и прочностными свойствами, оказывающими в ряде случаев разнонаправленное влияние на эффективность процесса окорки. Следовательно, чем больше диаметр бревна и, соответственно, толщина коры, тем более сложным является процесс ее разрушения.

Существующие методы расчета параметров окорки учитывают баланс сил только на поверхностном участке зоны контакта короснимателя с корой и не позволяют оценить развитие предельных разрушающих нагрузок по мере внедрения короснимателя в массив коры с учетом ее толщины. В этой связи, разработанная математическая модель роторной окорки расширяет методическую базу исследования влияния диаметра бревна и толщины коры на достижение заданных технических показателей.

С целью оптимизации режимов окорки целесообразно сортировать бревна по диаметру и запускать их в роторный станок вершиной вперед с тем, чтобы по мере роста d_б плавно увеличивать силу прижима F₁ (при постоянной скорости подачи u_п) либо постепенно снижать значения u_п при постоянной силе F₁. Отмеченные обстоятельства диктуют необходимость оценки такого параметра как сбежистость бревна С_б и его влияния на установление допустимых диапазонов вариаций силовых и кинематических параметров окорки. Таким образом, актуальной является задача дополнения положений разработанной математической модели расчета параметров окорки учетом диаметра бревна и его возможных вариаций.

Расчеты выполнены для условий окорки влажных бревен в зимних условиях (T?0^оС). На рис. 9 представлены зависимости критерия разрушения коры S от диаметра d_б, м. Графики соответствуют следующим значениям параметров: u_п=0,3 м/с, F₁=730 Н, д=1,74 рад., щ=180 об/мин, W=100%, Т=-5^оС, K_п=2.

Расчеты свидетельствуют, что при таких параметрах окорки сосны условие качественной окорки (8) выполняется для бревен диаметром до 0,45 м, для осины - до 0,35 м. Удельная сила окорки при этом составляет соответственно 16,42 и 17,21 кН/м. При больших значениях d_б необходимо корректировать параметры окорки с целью выполнения условия (8).

В табл. 1 представлены результаты расчетов качественной окорки бревен сосны различного диаметра. Выполнение условия (8) достигалось путем изменения трех параметров _ u_п, F₁, K_п при постоянстве остальных.

Поскольку с увеличением диаметра бревна растет и толщина коры, наряду с удельной силой окорки представлен еще один интегральный показатель _ величина удельной работы А_к, равная отношению силы окорки F_с к объему V_к разрушенной коры. По данным проф. С.П. Бойкова этот показатель более точно отражает удельные затраты окорки.

Существующие методы расчета параметров окорки и разработанная модель исходят из условия того, что диаметр d_б задан и является постоянной величиной. Однако на практике величина d_б по длине ствола L_к является величиной переменной и это необходимо учитывать в практических расчетах и прогнозах показателей окорки. Разработанная модель позволяет оценить влияние такого показателя как сбежистость бревна С_б на вариации параметров процесса окорки. Для этого была решена следующая вариационная задача.

Таблица 1

Показатели окорки бревен сосны различного диаметра

dб,м	hк,м	Kп	F1, Н	,кН/м	Ак, МПа/м
0,20	0,003	1	730	10,77	2,56
0,30	0,007	1	1000	13,17	1,32
0,45	0,017	2	730	16,42	0,63
0,50	0,021	2	900	19,37	0,59
0,55	0,026	2	1000	21,07	0,50
0,60	0,031	2	1080	22,28	0,43



Рис. 9 Влияние диаметра бревна на выполнение критерия качественной окорки: 1 - сосна; 2 _ осина

При постоянной величине L_к, задавшись различными значениями наибольших диаметров комля d_к и вершины d_в, сбежистость С_б определялась в процентах. Далее, в диапазоне допустимых значений диаметров бревна (d_к, d_в) с помощью программы генерации случайных чисел по закону равномерного распределения формировалась выборка диаметров d_i, для которых реализовывалась разработанная математическая модель и, в результате, формировались выборки расчетных значений параметров и показателей окорки (X_i). Статистическая обработка полученных выборок позволила установить значения их характеристик - математического ожидания M(X_i), дисперсии D(X_i) и коэффициента вариации v(X_i) в зависимости от параметра С_б. На рис. 10 для условий окорки сосны представлены результаты имитационного моделирования применительно к оценке вариации силовых характеристик (X₁= F₁, X₂ =).

Полученные результаты позволяют, в частности, задавшись фактической величиной сбега, установить допустимые диапазоны отклонений силовых параметров от своих математических ожиданий. Так, при сбеге С_б = 10% и M() = 19,37 кН/м, среднее квадратичное отклонение у() составило:

кН/м,

т.е. допустимый диапазон вариации удельной силы равен:

или =17,95_20,79 кН/м. (12)

Рис. 10 Влияние сбега на вариации силовых параметров

Выдерживая силовой диапазон (12), обеспечивается возможность стабилизации процесса качественной окорки бревна с учетом его фактического сбега. Таким образом, разработанная математическая модель позволяет определить как оптимальные параметры окорки различных лесоматериалов, так и оценить диапазон их допустимых значений в зависимости от диаметра бревна и величины его сбега. Однако при этом характеристики свойств коры принимались постоянными, что потребовало дальнейшего совершенствования расчетной модели по пути более полного учета вариаций параметров окорки.

Вариационный метод расчета и стабилизации параметров роторной окорки древесины. Разработанные выше методические основы расчета параметров окорки исходили в основном из принципа детерминированности, т.е. из условия постоянства значений факторов влияния и параметров управления процессом окорки, тогда как эти величины в общем случае являются переменными и варьируются в достаточно широких пределах.

Так, на основании обработки известных опытных данных физико-механических свойств сухой коры, в табл. 2 представлены в соответствующих масштабных единицах (м.е.) значения математических ожиданий (М), средних квадратичных отклонений (у) и коэффициентов вариаций (v, %) плотности коры с_k (м.е.- кг/м³), пределов прочности на сжатие у_сж и разрыв у_р (м.е.- МПа) для трех пород древесины. С повышением влажности вариация свойств коры будет возрастать.

Из анализа данных табл. 2 следует, что максимальная вариация свойств наблюдается у менее плотной коры сосны по сравнению с аналогичными характеристиками более плотной коры осины и березы. Таким образом, данные табл. 2 свидетельствуют о том, что процесс разрушения коры древесины является в общем случае не детерминированным, а вариационным (стохастическим) и характеризуется вариацией физико-механических свойств с учетом возможных вариаций состояния влажности коры. Это обусловливает необходимость выдерживать основные параметры управления процессом в определенных диапазонах значений, обеспечивающих стабилизацию заданных показателей окорки.

...