Оптимизированные режимы получения модифицированной древесины с заданными свойствами тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.21.05, кандидат технических наук Гвозденко, Сергей Петрович

• Гвозденко, Сергей Петрович
• кандидат технических наук
• 1999

Оглавление диссертации кандидат технических наук Гвозденко, Сергей Петрович

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА, ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ.

1.1. Анализ направлений совершенствования свойств древеси

1.2. Анализ математических моделей в технологии деревообработки и модифицировании древесины.

1.3. Цель и задачи исследования.

ГЛАВА 2. ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ПРОПИТКИ ДРЕВЕСИНЫ КАРБАМИДОМ.

2.1. Теоретические аспекты процесса даффузии. щрбямщщ, в древесину.:.

2.2. Аппроксимация экспериментачьньж данных процесса пропитки.

2.3. Определение продолжительности диффузионной пропитки древесины карбамидом.

Выводы по главе.

ГЛАВА. 3. Э1ССПЕР№У1ЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССА МОДИФИЦИРОВАНИЯ ДРЕВЕСИНЫ И ЕЕ СВОЙСТВ.

3.1. Создание экспериментальной установки.•

3.2. Методика получения технологических режимов на экспериментальной установке.

3.3. Методика исследования физико-механических и эксплуатационных свойств модифицированной древесины.

3.4. Технологические режимы модифицирования древесины по результатам активного эксперимента.

3.5. Физические свойства модифицированной древесины, опре» делязопще ее отношение к влаге.

3.6. Прочностные свойства модифицированной древесины.

3.7. Эксжпуа1Шщо1Шые свойства модифицированной древесины. 73 Вывода по главе.

ГЛАВА 4. РАЗРАБОТКА МАТЕМАТИЧЕСКИХ РЕГРЕССИОННЫХ МОДЕЛЕЙ ПРОЦЕССА МОДИФИЦИРОВАНИЯ, ПРОВЕРКА ИХ АДЕКВАТНОСТИ И ЭФФЕКТИВНОСТИ.

4.1. Методика построения математических моделей.~

4.2. Системный анализ технологии получения модифшщрован-ной древесины как объекта многокритериальной оптимизации управления.

4.3. Метод экспертных оценок в определении веса входных и выход ных данных.

§

4.4. Математические регрессионные модели, их адекватность и эффективность.

Выводы но главе.

ГЛАВА 5. ПРОГНОЗИРОВАНИЕ СВОЙСТВ МОДИФИЦИРОВАННОЙ ДРЕВЕСИНЫ НА ОСНОВЕ МНОГОКРИТЕРИАЛЬНОЙ

ОПТИМИЗАЦИИ.

5.1. Выбор процедуры многокритериальной оптимизации.

5.2. Получение модифицированной древесины с задавшими свойствами на основе многокритериальной оптимизации ^^хнолозгических параметров.

5.3. К вопросу создания банка стандартных справочных данных. 113 Выводы по главе.

ГЛАВА 6. ВНЕДРЕНИЕ В ПРАКТИКУ НАУЧНЫХ РАЗРАБОТОК

И ИХ ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ.

-46.1. Внедрение научных разработок в производство штучного паркета на ЗАО «Элекон-строй».

6.2. Внедрение научных разработок в производство подшипников скольжения в НПЦ «Восмоддрев».

6.3. Рекомендации производству.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Оптимизированные режимы получения модифицированной древесины с заданными свойствами»

Колоссальная экспансий! древесины и получаемых из нее композитов в отрасли промышленности, строительства, транспорта и сельского хозяйства вызвана неуклонно растущую потребность в этом ценном материале. Из экологических и гуманных соображений всевозрастающая прагматичная потребность не должна удовлетворяться -только непрерывным увеличением объема лесозаготовок, вот почему, еще с начала XX века, самой актуальной остается проблема экономичного, комплексного и рационального использования древесины [46]. Эта проблема неразрывно связана, с облагораживанием древесины, основными задачами которой являются улучшение свойств древесины и создание из нее новых материалов [3].

В последнее время в отрасли деревообработки все большее внимание уделяется вопросу модифицирования древесины,' в частности, мягких лиственных пород. Это вызвано, прежде всего, тем, что изделия из модифицированной древесины, обладая высокими физико-механическими и эксплуатациошшми показателями, успешно конкурируют с изделиями из натуральной древесины твердых пород, цветных металлов, синтетических материалов и т.д. Модифицирование цельной древесины без ее разрушения позволяет сохранить и преумножить энергетические ресурсы, воплощенные природой в структуре строения растущего дерева, путем привития древесине новых качественных показателей и значительного повышения желаемых свойств. -Экономическая эффективность этого прогрессивного направления в потреблении древесины оценивается той огромной экономией деловых лесоматериалов, которая получается благодаря эффективном}' использованию малоценной древесины мягких лиственных пород.

Технологая производства модифицированной древесины (ДМ) представляет собой материалоемкий, энергоемкий и трудоемкий процесс, требующий, как следствие, больших кшшталовложений. Сложившаяся экономическая ситуация вынуждает производителей повышать эффективность действующих технологий, находить оптимальные технологические режимы, при реализации которых на уровнях близких к экстремальным способствовало бы, главным образом, снижению себестоимости или повышению качества щюдукции.

Многогранность областей применения ДМ обуславливает наличие в каждой области доминирующего показателя, к примеру в паркетном производстве со специализацией на промышленные здания превалирующим фактором является истираемость или ударная вязкость, в производстве мебельных заготовок - объемное разбухание. Это приводит к целесообразности производить не универсальный или обезличенный полуфабрикат, отличаюпщйся высокой себестоимостью, а материал с частными показателями для конкретной сферы потребления, что иными словами возникает проблема получения продукции с заданными свойствами.

Получение модифицированной древесины с заданными свойствами, в частности, в процессе химико-механической модификации карбамидом представляет весьма актуальную теоретическую и практическую задачу, решение которой в значительной степени способствовало бы более широкому внедрению дестама в народное хозяйство. Результаты исследования, посвященные вопросу разработки оптимизированных технологий получения модифицированной древесины с заданными свойствами, изложены в настоящей диссертации.

Работа выполнена по федеральной целевой научно-технической программе «Исследования и разработка по приоритетным направлениям развития науки и техники гражданского назначения» на 1996

2000 г, 'утвержденной правительством Российской Федерации. Эта программа включает в себя ряд спещиалюированных программ, в том числе подпрограмму «Комплексное использование древесного сырья».

Результаты выносимые автором на защиту:

В теоретические расчеты и регрессионная модель, характеризующие изменение концентраадаи карбамида в древесине в процессе пропиши;

В экспериментальная установка СПК-2 и ее оптимальные технологические режимы;

Л основные физико-механические и экшлуатщионные свойства дестама, полученного совмещенным: способом;

В системный анализ процесса модифицировашет и математические модели зависимости показателей свойств от технологических параметров;

В алгоритмы, программы системы прогнозирования показателей свойств ДМ на основе мнопифитериальной опжмизадии технологических параметров и оптимизированные технологические режимы производства дестама для его потенциальных областей потреб ления; а экономическая эффективность научных разработок и рекомендации производству.

Диссертационная работа состоит из введения, шести разделов, заключения, списка литературы и приложений. Общий объем работы изложен на 160 страницах мапшнописяого текста, содержит 23 рисунка* 25 таблиц, 7 приложений. Список использованной литературы включает 116 наименований, из них 9 на иностранных языках.

Заключение диссертации по теме «Древесиноведение, технология и оборудование деревопереработки», Гвозденко, Сергей Петрович

Выводы по главе

1. Для решения задачи многокритериазтьной отимнзации при: нашими регрессионнък моделей второго порядка, а следовательно нелинейного программирования* в котором варьируемые факторы зядаются даскрешо целесообразно использовать метод сканирования., для которого разработан алгоритм или блок-схема многокритериальной оптиштзапии.

2. Г(ля решения задачи получения модифицированной древееи-кы с здш1йыш свойствами з4Фжтивным является метод сканирования и двух вариантах решжзащш: 1)определитъ доминирующий ч пи превшшрующий показатель свойств модифицированной древесины, относительно которого получить набор свойств технологичесжих параметров, после чего найти ошжмальный режим с учетом оетштьных откликов; 2) решить всю систему с получением набора свойств технологических параметров и последующей оптимизацией.

3. Разработанные программы на языке BASIC, позволяют найти оптимальные режимы получения дестама нримешгтелъно для его по™ теитщальных областей потребления, то есть для производства подшипников скольжения, паркета и мебельных заготовок. Кроме тою, в программах предусмотрен частный расчет, иозволяюпщй пользователю самому делать выбор гфевалирующего показателя свойств дестама, отоштшшо которого будут рассчитаны огажмальные значения технологических параметров.

4. Полученная по оптимизированию технологии модафшщрова-ни древесины информация, в виде регрессионных моделей и программ, пригодна для создания единой в пределах страны системы сбора, хранения и обработки информации о качестве ДМ, которая со временем станет составной частью Государственной системы стандартных справочных данных.

Глава 6= Внедрение в практику научных разработок и их экономическая эффективность

В результате проведениях ишытгший по совершшствовшшю техзк.шжичесжого про.цесса химико-мехштического модифш1щрования дреж&ины была разработана, ж внедрена в производство система прогнозирования свойств ДМ на. основе мх-югокритериазтной оптимизации* позволяющая находить оптимальные тежодогичестже горямст ■■• ры в зависимости от априорно задаваемых значеаий покшатенсй свойств ДМ.

Внедрение в иракшку опшмальньк режимов техшлогичесжого процесса позволило производители снизить себестоимость продукции при сохранении ее качества.

6.1. Внедрение научных разработок в производство штучного паркета ж ЗАО «Элзкон-строй»

Оптимальные режимы технолошческого процесса модифицирования древесины были внедрены на деревообрабатъгвшощем предприятии по производству штучного паркета из дестама размерами 300x70x15 мм на ЗАО «Элекон-строй» (г. Еолпево, Московская обл.).

Технологический процесс шготовления штучного паркета осуществляется следующим образом.

Круглый лесоматериал древесины осины и березы диаметром; 15-30 см, домной 3.5-5 м окоряется на станке ОЮ-35М и распиливается на лесопильной раме Р-бЗ на .пиломатериал тогацикой 30 мм. I Ьсле этого необрезной пиломатериал подается к станку ЦПА--40, где производится поперечная расшшовка на дожи длиной 1.25 м, а затем - к многошинному станку ЦЦК--5 на продольную распиловку. Далее пиломатериалы укладываются в спепиалытш контейнер рядами, каждый из которых отделяется друг от друга метштакчшкой пористой нрсшжтжш, и: мостовъш: краном подается в нрогшгчгчную ванну с 20 %-бым раствором карбамида, где пропитываются в течение 30 'часов. После завершения пропитки контейнеры пржюдиимаготся на/1, ваннами; где 1.5-2 ч. происходит отекание раствора, после чего переносятся на траверсную тележку, которая, троооблочной системой: наххрав---лхется в сушшидо-ггрессовую камеру СИС-3 [71]. В С1'ЖгЗ, снабженной 20 грщрогщлшщрами и созданной на базе стандартной аэродинамической сушильной камеры Штер-Урал, происходит' процесс одновременного прессования и сушки пропитанной карбамидом древесины. После сушки и охлаждения тележку выкатывают и контейнер разгружают. Доски сортируют по качеству и соответствующие требованиям доски: рольганговой тележкой подаются к многопильному станку 1.ЩК-5., на котором' выгщтшваются заготовки шириной 75 мм. Далее заготовки поступают к торцовочному станку ЩБ 40-1, где производителя поперечная распиловка, заготовок на длину 305 мм и затем на спеииализировшшые станки поперечной обработки паркешых планок ПАРК-10 и четырехсторонний продольио-фре^шьм ПАРК-9. После чего на шлифовальном: ставке ШлЗЦ 12-2 шлифуются лицевая поверхность и продольная кромка. Готовая продукция упаковывается в пачки, обвязывается стальной лентой и отправляется на склад готовой щюдукщш шм потребителю.

Для оценки эффективности внедрения системы прогнозирования езюйств ДМ на основе многокритериальной оптимизации в производство штучного паркета была изготовлена опытная партия о?5ъе-мом пиломатериалов в 16,8 м:"' с выходом конечной продумдаи в 327. м^ по режимам, ршработашых автором (приложение 7). Для: проверки соответствия ш:шун.енных планок ГСХ2Т 862.1-85 был применен выборочный контроль по яжпериэшвному признаку по ГОСТ 2361679;! причем отбор планок в выборку осуществлялся, методом случайкого отбора но ГОСТ 1832Г-'73. В результате проверки браковочное число не превышало его предельное значение, что свидетельствует- о соответствии новой парши паркета ГОСТ 862.1-85.

Экономический эффект при внедрении научных разработок достигается за счет снижения продолжительности совмещенного процесса сушки и прессования древесины, вследствие чего сштжают-ся энергозатраты и увеличивается объем вьтусквемой товарной пр<>-дукшш.

В базовом варианте совмещенный процесс сутки и прессования древесины осины и березы составляет соответственно 38 и 39 ч, при этом шюшость дестама колеблется в пределах 1000-1100 кг/мЗ Нами экспериментально установлено, что допустимая для пакета плотность дестама 900 кт/м"' и его требуемая конечная влажность 4-6 Зъ достигаются при продолжительности сушки и прессования для оси-ни- 3? ч и для березы- 38 ч. В этом случае годовое увеличение объема высушиваемого .пиломатериала^ в частности, древесины осины составит: где 251- эффективный фонд времени работы СПК-3 в году, дней; 3-число смел работы за день; 8- продолжительность смены, ч; 16.8-обьем зшружаемого шшоматериала. в сушильную камеру за один цикл суппод м'{.

Пересчжшвая кубометры в единицы площади (с 1 ы* получается 19.5 мО и учитывая годовую программ в базовом варианте (54 200 мО. итоговый объем выпускаемого паркета будет равен 55 604 мЗ

В табш-ще 6.1 представлена квдьжупадтя себестоимости паркета как по базовому, тате и: по предлагаемому вариантам (цены даны: на январь 1.990 г.).