Совершенствование операций утилизации низкотоварной древесины на нижних лесопромышленных складах тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.21.01, кандидат наук Кучер Сергей Валерьевич

• Кучер Сергей Валерьевич
• кандидат наук
• 2019

Оглавление диссертации кандидат наук Кучер Сергей Валерьевич

ВВЕДЕНИЕ

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1. Общие сведения о проблематике переработки низкотоварной древесины и отходов лесопереработки

1.2. Основные способы повышения эксплуатационных свойств древесины

1.3. Обзор результатов исследований в области пропитки древесины

1.4. Обзор результатов исследований в области прессования древесных материалов

1.4.1. Прессование цельной древесины

1.4.2. Прессование измельченных древесных материалов

1.4.2.1. Статическая нагрузка

1.4.2.2. Динамическая нагрузка

1.5. Обзор результатов исследований в области измельчения древесных материалов

1.6. Выводы по главе

2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

2.1. Разработка уточненной математической модели прессования древесины

2.2. Разработка уточненной математической модели пропитки древесины

2.3. Разработка математической модели измельчения древесины

2.4. Выводы по главе

3. МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

3.1. Методика экспериментальных исследований прессования древесины

3.2. Методика экспериментальных исследований пропитки древесины

3.3. Методика экспериментальных исследований измельчения древесины

4. РЕЗУЛЬТАТЫ ТЕОРЕТИЧЕСКИХ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

4.1. Результаты экспериментальных исследований прессования древесины

4.2. Результаты экспериментальных исследований пропитки древесины

4.3. Результаты экспериментальных исследований измельчения древесины

4.4. Выводы по главе

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

ПРИЛОЖЕНИЯ

Приложение 1. Результаты экспериментов по прессованию древесины

Приложение 2. Результаты экспериментов по пропитке древесины

Приложение 3. Результаты экспериментов по измельчению древесины

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Совершенствование операций утилизации низкотоварной древесины на нижних лесопромышленных складах»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы исследования. Интенсивная заготовка пиловочного сырья привела к снижению запасов хвойной древесины в нашей стране. Происходит смена хвойных насаждений мягколиственными, продолжительность класса возраста которых ниже, а скорость роста - выше. Сокращается экономически доступная сырьевая база для производства пиломатериалов. В этой связи, диверсификация производства приобретает особое значение для лесопромышленных предприятий [16], [26], [85], [86].

Многие отечественные и зарубежные ученые посвятили свои труды совершенствованию технологических процессов предприятий лесопромышленного комплекса, в том числе - путем внедрения комплексной переработки древесного сырья. Среди исследователей особо следует отметить В.А. Баженова, С.М. Базарова, А.Р. Бирмана, С.П. Бойкова, С.Б.Васильева, Э.Ф. Герца, И.В. Григорьева, А.Н. Ерошкина, В.П. Кожина, И.В. Кречетова, О.А. Куницкую, А.Ю. Мануков-ского, А.И. Мигачева, М.С. Мовнина, ВИ. Онегина, Н.А. Оснача, В.И. Патякина,

A.И. Расева, А.К. Редькина, П.Б. Рябухина, В.В. Сергеевичева, П.С. Серговского,

B.И. Соколова, Б.Н. Уголева, Б.С. Чудинова, А.А. Шадрина, В.А. Шамаева, И.Р. Шегельмана, Ю.А. Ширнина, С.Б. Якимовича и др.

Были предложены перспективные способы получения продукции из мягко-лиственной древесины, модифицированной пропиткой различными импрегна-тами и прессованием. При этом в случаях, когда производство продукции из модифицированной древесины нецелесообразно, древесина может использоваться как сырье для производства биотоплива - брикетов, для этого ее необходимо предварительно измельчить. Пропитка, прессование и измельчение относятся к

важнейшим операциям, присутствующим в цикле переработки низкотоварной древесины на лесопромышленных складах [59], [67].

Несмотря на теоретические и экспериментальные исследования, выполненные ранее, ряд вопросов проработан не в полной мере. Полагаем, что исследования, направленные на дальнейшее развитие и уточнение научного описания процессов, сопровождающих переработку низкотоварной древесины, актуальны для теории и практики лесопромышленного производства.

Степень разработанности темы исследования. К настоящему времени накоплена обширная теоретическая и экспериментальная база по пропитке древесины. Для уточнения описания пропитываемости древесины требуются дальнейшие исследования, которые позволят в явном виде учесть силы, возникающие в капиллярах и порах при проникновении в них пропиточной жидкости. В области прессования теория строится на положениях, следующих из решения дифференциального уравнения реологии тела Бюргерса относительно деформации модели. Дальнейшее уточнение и развитие теории возможно за счет разработки математической модели прессования древесины, строящейся на зависимости напряжения от степени прессования, при этом в модели следует разделять мгновенные и длительные составляющие деформации. В ряде технологических процессов происходит доизмельчение древесного сырья. В ходе анализа литературных источников обнаружено сравнительно мало сведений об энергоемкости измельчения цельной древесины.

Цель работы - получить комплекс научно-обоснованных результатов, уточняющих и развивающих представление об основных операциях переработки низкотоварной древесины.

Задачи исследования:

1. Разработать и исследовать уточненную математическую модель прессования древесины строящуюся на зависимости напряжения от степени прессования при заданной скорости прессования и учитывающую различие мгновенных и длительные составляющих деформации.

2. Разработать и исследовать математическую модель процесса пропитки древесины с учетом сил, возникающих в капиллярах и порах при проникновении в них пропиточной жидкости.

3. Разработать и исследовать математическую модель измельчения древесины, прогнозирующую энергоемкость операции доизмельчения.

4. Провести верификацию полученных результатов.

5. Разработать рекомендации по использованию полученных результатов в практике организации переработки низкотоварной древесины на нижних складах.

Объект исследования: низкотоварная древесина, перерабатываемая на лесопромышленных складах.

Предмет исследования: процессы пропитки, уплотнения и измельчения низкотоварной древесины.

Методология и методы исследования: на стадии теоретических исследований применялись методы математического моделирования, математического анализа, аналитического и численного решения дифференциальных уравнений; при проведении экспериментов использованы методы планирования эксперимента, статистической обработки опытных данных.

Научная новизна работы. Разработанные и исследованные математические модели процессов пропитки, уплотнения и измельчения низкотоварной древесины, отличающиеся от известных уточненным учетом взаимосвязей характеристик сырья, параметров внешних силовых воздействий и характеристик продукции, позволяющие обоснованно подбирать параметры операций цикла переработки низкотоварной древесины.

Теоретическая значимость работы:

- предлагаемая математическая модель прессования, строящаяся на аналитическом решении дифференциального уравнения реологической модели тела Бюргерса относительно напряжения, развивает теорию прессования древесных материалов;

- разработанная математическая модель пропитки, базирующаяся на аналитическом решении уравнения движения фронта пропитки с учетом капиллярных сил, уточняет теорию пропитки древесины;

- выявленные взаимосвязи энергоемкости измельчения и пределов прочности древесины при перерезании поперек волокон дополняют научные представления об измельчении древесины.

Практическая значимость работы:

Результаты исследования позволяют на практике обоснованно подбирать параметры операций, включаемых в циклы переработки низкотоварной древесины, а именно:

- определить время прессования и среднюю скорость прессования в зависимости от требуемой плотности заготовок при регулировании напряжений, возникающих в них;

- определить положение фронта пропитки и время обработки заготовок в центробежном поле в зависимости от свойств древесины и импрегната, определяющих капиллярные силовые явления;

- определить оптимальную по критерию энергоёмкости влажность древесины, поступающей на доизмельчение.

На защиту выносятся следующие положения: 1. Зависимости, полученные на базе решения дифференциального уравнения реологической модели тела Бюргерса, позволяющие рассчитать напряже-

ние, возникающее при прессовании древесины с учетом реологических параметров материала, скорости прессовании и относительной деформации заготовки.

2. Уравнения для расчета положения фронта пропитки, полученные в результате решения дифференциального уравнения движения фронта пропитки с разложением комплексной функции Ламберта в степенной ряд и экспериментальные значения коэффициента проницаемости древесины березы, осины и ольхи при пропитке.

3. Результаты экспериментов по доизмельчению низкотоварной древесины, устанавливающие коэффициент пропорциональности в уравнении работы измельчения, зависящий от предела прочности при перерезании поперек волокон.

Достоверность выводов и результатов исследований обеспечена применением лицензионного программного обеспечения на всех стадиях выполнения работы, удовлетворительной сходимостью полученных теоретических результатов с экспериментом и, в известных случаях, сведениями независимых источников.

Апробация работы. Результаты исследования докладывались и обсуждались на VI Международном симпозиуме имени Б.Н. Уголева, посвященном 50-летию Регионального Координационного совета по современным проблемам древесиноведения (Москва, 2018); научно-технической конференции института технологических машин и транспорта леса Санкт-Петербургского государственного лесотехнического университета (Санкт-Петербург, 2017); Второй международной научно-технической конференции «Леса России: политика, промышленность, наука, образование» (Санкт-Петербург, 2017); Второй Всероссийской научно-практической конференции с международным участием, посвященной 65-летию высшего лесного образования в Республике Карелия «Повышение эффективности лесного комплекса» (Петрозаводск, 2016).

Публикации. Материалы диссертации опубликованы в 14 работах, включая 5 статей в журналах, рекомендованных ВАК РФ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 основных глав, общих выводов и рекомендаций, библиографического списка, включающего 108 наименований, 3 приложений. Общий объем текста без приложений -135 машинописных страниц. Основной текста работы содержит 46 рисунков и 23 таблицы. Объем тома с приложениями составляет 151 страницу, включая 46 рисунков и 37 таблиц.

Личный вклад автора состоит в формулировании цели и задач исследования на основании анализа литературных источников по проблематике исследований, разработке и реализации математических моделей на стадии теоретических исследований, составлении методики и проведении экспериментов, анализе их результатов и обработке опытных данных, формулировании общих выводов и рекомендаций по результатам проведенных исследований.

Соответствие диссертации паспорту научной специальности. Диссертация соответствует следующим пунктам паспорта специальности 05.21.01 - технология и машины лесозаготовок и лесного хозяйства:

3. Разработка операционных технологий и процессов в лесопромышленном и лесохозяйственном производствах: заготовительном, транспортном, складском, обрабатывающем, лесовосстановительном и др.

7. Разработка технологий и систем машин, обеспечивающих комплексное использование древесного сырья и отходов в технологических и энергетических целях.

8. Обоснование технологий и оборудования лесообрабатывающих производств на лесопромышленных и лесохозяйственных предприятиях.

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1. Общие сведения о проблематике переработки низкотоварной древесины и отходов лесопереработки

На нижних складах лесозаготовительных предприятий происходит первичная переработка круглых лесоматериалов, основной продукцией которой являются пиломатериалы и погонажные изделия, балансы и технологическая щепа. К сортиментам, поступающим на переработку, предъявляются определенные требования, касающиеся размеров, породы древесины, отсутствия дефектов, например, гнили и трещин; эти требования регламентированы стандартами. Наиболее востребованы сортименты хвойных пород древесины, с диаметром от 40 см и больше [44].

Переработка древесины мягколиственных пород, тонкомерной и низкокачественной древесины с пороками, зачастую не включается в производственный цикл, поскольку качественные свойства подобного сырья не позволяют извлечь прибыль из его заготовки и переработки при распространенных технологиях. Обобщающий термин для такой древесины - «низкотоварная древесина» [27] -[31], [33], [34].

Тем не менее, проблематикой эффективной утилизации низкотоварной древесины успешно занимались и занимаются многие ученые как в России, так и за рубежом. Среди них необходимо особо отметить В.А. Баженова, С.М. Базарова, А.Р. Бирмана, С.П. Бойкова, С.Б.Васильева, Э.Ф. Герца, И.В. Григорьева, А.Н. Ерошкина, В.П. Кожина, И.В. Кречетова, О.А. Куницкую, А.Ю. Мануковского,

А.И. Мигачева, М.С. Мовнина, Н.А. Оснача, В.И. Патякина, А.И Расева, А.К. Редькина, П.Б. Рябухина, П.С. Серговского, В.И. Соколова, Б.Н. Уголева, Б.С. Чудинова, А.А. Шадрина, В.А. Шамаева, И.Р. Шегельмана, Ю.А. Ширнина, С.Б. Якимовича и др.

В области повышения эффективности нижнескладских работ было доказано, что диверсификация производства (одновременное развитие многих видов производства, расширение ассортимента производимых изделий в рамках одного предприятия) за счет организации переработки низкотоварной древесины является перспективным направлением совершенствования лесозаготовительного производства [27], [37].

Отмечается, что эффективность заготовки и обработки низкотоварной древесины во многом определяется обоснованностью производственного процесса. Достигается эффективность процесса принятием оптимальных решений по месту и технологии заготовки и обработки сырья, а также виду и объему готовой продукции, выпускаемой из низкотоварной древесины [40], [50], [54] - [57].

Для оптимизации комплексных технологических процессов проф. И.Р. Ше-гельманом разработана теория сквозных технологических процессов лесопромышленного комплекса [71] - [73]. Согласно определению, сквозными технологическими процессами в лесопромышленном комплексе называют «совокупность технологических процессов (производств) заготовки, транспортировки и переработки ресурсов биомассы дерева, увязанных между собой посредством предметов труда на выходе и входе процессов, определяемых используемыми технологиями и техникой, а также местами выполнения операций» [71]. Теория сквозных процессов лесопромышленного комплекса получила развитие в работах [7] - [12].

Были разработаны различные способы повышения эксплуатационных свойств низкотоварной древесины, включающие различные виды ее модифицирования [27], [59], [67]. Вместе с тем, ряд вопросов проработан не в полной мере,

что объясняется вариативностью свойств и сложностью строения древесины. Полагаем, что исследования, направленные на дальнейшее развитие и уточнение научного описания процессов, происходящих при модифицировании древесины, актуальны для теории и практики лесопромышленного производства.

1.2. Основные способы повышения эксплуатационных свойств древесины

Согласно проф. В.А. Шамаеву [49], [59], [67], [68], в наше время следует выделить три основных направления в области повышения эксплуатационных свойств древесины:

1. Дальнейшее развитие теории прессования древесины с целью повысить ее прочностные свойства. Важнейшей проблемой в этом направлении является разработка технологий и обоснование таких параметров прессования, при которых уплотнение происходит без разрушения заготовок.

2. Снижение себестоимости модифицирования древесины на базе результатов дальнейших исследований процесса.

3. Придание древесине не характерных для нее свойств, таких как, например, «эффект памяти», гидрофобность, пониженные фрикционные свойства, тепло- и электропроводность, пластичность и сверхпластичность.

В работе [59] приводится список основных технологических операций модифицирования древесины:

1. Пропитка анитисептиками.

2. Пропитка синтетическими мономерами и олигомерами.

3. Пропитка синтетическими смолами.

4. Ацетилирование.

5. Пропитка гидроксилсодержащими агентами.

6. Прессование.

7. Пропитка антипиренами.

8. Пропитка кремнийорганическими соединениями.

9. Пропитка аммиаком и аминами.

10. Пропитка карбамидом и амидами.

11. Гидротермическая обработка.

12. Пропитка красителями.

13.Пропитка антифрикционными и фрикционными составами.

14. Пропитка металлами и сплавами.

15.Пропитка серой, персульфатом аммония, диметилсульфоксидом.

16. Воздействие магнитных, электрических, звуковых полей, ионизирующей и лучевой радиации.

Перечисленные операции включаются в процессы модифицирования древесины, представленные на схеме на рисунке 1.1.

Рисунок 1.1 - Схема классификации основных направлений модифицирования древесины [59]

Сравнение способов модифицирования древесины представлено в таблице

1.1.

Таблица 1.1 - Сравнение способов модифицирования древесины [59], [67]

Цель модифицирования Способ модифицирования

Термоме-ханиче-ский Химико-механический Термохимический (радиационный) Химический

Придание биостойкости — +— +

Стабилизация форм и размеров, гидрофобность +— + +

Увеличение механической прочности и износостойкости + + +

Придание огне- и термостойкости + +

Придание стойкости к атмосферной и химической коррозии + + +—

Придание пластичности +— + — —

Улучшение декоративных свойств +— + +

Придание антифрикционных свойств + +

Изменение анизотропии и физических свойств (реологических, электрических, тепловых и др.) + + +

Цель модифицирования Способ модифицирования

Термоме- Химико- Термохи- Химиче-

ханиче- механиче- мический ский

ский ский (радиационный)

Технические приемы модифицирования

Пропитка +— + + +

Прессование + + — —

Гидро- и термообработка + + + +

Уровни строения древесины, затрагиваемые модифицированием

Элементарная структура — + +— +

Ультрамикроструктура — + + —

Микроструктура + + + —

Макроструктура + + — —

Как видно из рисунка 1.1 и таблицы 1.1, пропитка и термообработка участвуют практически во всех указанных способах модифицирования, в способах, направленных на изменение механических свойств, присутствует операция прессования.

1.3. Обзор результатов исследований в области пропитки древесины

Породы древесины принято подразделять на группы по степени пропиты-ваемости: легко пропитываемые, умеренно пропитываемые и трудно пропитыва-

емые (таблица 1.2) [59], [65], [66]. Таблица 1.2 - Классификация пород древесины по группам пропитываемости

Группа Порода древесины

заболонь ядро

легко пропитываемые Обыкновенная сосна, береза, бук -

умеренно пропитываемые Сибирская сосна (кедр), европейская лиственница, граб, дуб, клен, липа, ольха, осина Сибирская сосна (кедр), обыкновенная сосна, осина, ольха

трудно пропитываемые Ель, сибирская лиственница, пихта Ель, европейская лиственница, сибирская лиственница, пихта, береза, дуб, вяз, бук, ясень

Способы пропитки можно классифицировать в соответствии с физическими явлениями, происходящими при пропитке [59]:

1. Пропитка под действием капиллярных сил.

2. Диффузионное перемещение импрегната.

3. Пропитка под действием избыточного внешнего давления. Рассмотрим подробнее основные способы пропитки древесины.

Среди способов, при которых проникновение пропиточной жидкости происходит под действием капиллярных сил, отметим следующие [21], [32]:

- Нанесение пропиточного раствора на поверхность сухой древесины. Способ получил распространение в строительстве. Глубина пропитки составляет 1-2 мм.

- Кратковременное погружение сухой древесины в ванну с пропиточной жидкостью. Способ также распространён в строительстве. Глубина пропитки зависит от физических свойств пропиточной жидкости, таких как вязкость и температура, а также от породы древесины (таблица 1.2).

- Панельная пропитка. Способ применятся, в основном, при реставрации неразборных конструкций. Суть его в том, что к вертикальным деревянным элементам конструкции сверху крепится двуслойная панель, состоящая из слоя, смачиваемого пропиточной жидкостью и внешнего изоляционного слоя. Пропитка происходит за счет действия капиллярных сил, продолжительность процесса — 15-30 суток.

Основные способы, основанные на явлении диффузии молекул и ионов пропиточной жидкости, следующие [21], [32]:

- Вымачивание влажной древесины в ванне с пропиточной жидкостью. Способ отличается от кратковременного погружения древесину в ванну с пропиточной жидкостью прежде всего влажностью заготовки. Продолжительность процесса составляет от нескольких часов до нескольких недель, глубина пропитки определяется породой древесины и физическими свойствами пропиточной жидкости, но, как правило, проникновение импрег-ната ограничивается несколькими сантиметрами от поверхности заготовки.

- Нанесение паст на поверхность влажной заготовки. Пасты содержат в себе водорастворимое вещество, например, антисептик, которое при длительном выдерживании заготовок проникает во внутреннее пространство влажной древесины за счет диффузии. Продолжительность пропитки составляет

2-3 месяца, после чего изделие подсушивают и отправляют потребителю. Способ пропитки нанесением паст, при котором диффузия происходит в процессе эксплуатации, называется бандажной пропиткой - пасту наносят на изделия в зонах, наиболее подверженных гниению, и изолируют при помощи слоя бандажа.

Заметим, что явления, происходящие при диффузионной пропитке древесины, описывают на основе закона Фика [45], [46]:

3 = -Б— (1.1)

дх

дС

где 3 - плотность потока вещества, Б - коэффициент диффузии,--объемный

дх

градиент концентрации вещества.

Внешнее избыточное давление используется в следующих способах пропитки [21], [32]:

- Пропитка в ваннах с чередованием температуры пропиточной жидкости. Производится при периодическом изменением температуры пропиточной жидкости, что создает дополнительное внешнее давление. Глубина пропитки ограничена поверхностными слоями древесины, продолжительность пропитки составляет 1,5-4 часа.

Автоклавная пропитка. При реализации способа в камере, в которой размещен пропиточный раствор и заготовка, создается переменное давление, обуславливающее проникновение пропиточной жидкости во внутреннее пространство древесины. Закон изменения давления в пропиточной камере по времени определяется исходя из требования к степени пропитки, породы древесины и физических свойств пропиточной жидкости. Продолжительность пропитки варьируется от нескольких минут до нескольких часов, при длительной выдержке в камере возможна глубокая пропитка заготовок.

- Пропитка древесины на центрифугах. Заготовки пропитывают в емкостях, расположенных радиально на вращающейся платформе. При вращении платформы в емкостях создается градиент давления пропиточной жидкости, за счет которого внутреннее пространство заготовок сравнительно быстро заполняется импрегнатом.

Явления, происходящие при пропитке древесины за счет избыточного внешнего давления, принято описывать при помощи закона проницаемости Дарси либо нелинейных законов проницаемости.

Линейный закон фильтрации Дарси в общем виде формулируется следующим образом [35], [45], [46], [75]:

V = -КАР (1.2)

И

где V — скорость фронта пропитки, К—коэффициент проницаемости, р — вязкость пропиточной жидкости, АР — градиент избыточного давления.

Среди формулировок нелинейных законов фильтрации [17], [18], [83], [90], [97], [100], [102] - [105] наиболее распространены две следующие:

V = а + Ь АР + с-(АР)2 (1.3)

V = К - (АР) (1.4) где а, Ь, с, п — эмпирические параметры.

Способы пропитки, основанные на использовании избыточного внешнего давления, признаны наиболее перспективными для модифицирования древесины, поскольку за сравнительно короткое время дают возможность получить глубоко и равномерно пропитанные заготовки, которые впоследствии можно подвергать механической обработке.

В работе [27] показано, что способ пропитки на центрифуге более приемлем при обработке низкотоварной древесины по сравнению с автоклавным, по-

скольку необходимое оборудование конструктивно проще, а время цикла обработки заготовок и энергоемкость - ниже по сравнению с автоклавной пропиткой. По этой причине уделим основное внимание центробежному способу пропитки, тем более, что теоретический аппарат при исследовании проникновения импрег-ната во внутренне пространство древесины при центробежной и автоклавной пропитке схож, так как строится на описании явлений одной физической природы.

Резюмируем основные результаты исследования пропитки древесины на центрифугах, выполненных ранее.

В работах [45], [46] рассмотрены общие вопросы движения жидкости в древесных средах, получены основополагающие уравнения, относящиеся к пропитке и обезвоживанию древесных материалов силовых полях различной природы. Постановка задач общая и не предполагала детального исследования пропитки на центрифугах, ряд практически важных вопросов, относящихся к параметрам технологического процесса, отставлен авторами для последующей проработки.

В работе [25], базирующейся на [45] получены эмпирические сведения о пропитке и обезвоживании древесины в поле центробежных сил. Основное внимание уделено пропитке и обезвоживанию заготовок для производства торцового паркета, в этой области получены практические результаты, ценные при обосновании рассмотренной технологии.

В работе [19] построена математическая модель процесса пропитки на основе закона проницаемости Дарси в следующей формулировке:

V = КАР (1.5)

где К - коэффициент пропорциональности.

Получены значения коэффициента пропорциональности в уравнении (1.5) при пропитке древесины сосны, ели, осины и березы жидкостями, близкими по физическим свойствам к воде (таблица 1.3).

Таблица 1.3 - Коэффициент пропорциональности в уравнении (1.5) при пропитке древесины сосны, ели, осины и березы [19], [21]

№ наблюдения Порода древесины

Ель Сосна Осина Береза

1 1,606-10-10 1,856 10-10 1,344 10-10 1,494-10-10

2 1,91740-10 1,947-10-1° 1,30Ы0-10 1,54740-10

3 2,250-10-10 2,262-10-1° 1,49840-10 2,30340-10

4 1,602-10-10 1,778-10-10 1,30940-10 1,51410-10

5 1,58540-10 1,881-10-10 1,396 10-10 1,53040-10

6 1,65040-10 1,98240-10 1,360 10-10 1,68240-10

7 1,61810-10 1,72840-10 1,26940-10 1,38040-10

8 1,72540-10 1,890 10-10 1,32Ы0-10 1,501 •Ю-10

9 1,81340-10 2,03Ы0-10 1,40940-10 1,648-10-10

Среднее значение 1,75240-10 1,92840-10 1,356 10-10 1,62240-10

Определена область изменения параметров процесса пропитки (частота вращения, радиус платформы центрифуги), в которой корректно применение закона Дарси, предложены номограммы для определения времени пропитки в зависимости от породы древесины, частоты вращения платформы центрифуги п и отношения радиуса платформы к длине заготовки (пример представлен на рисунке 1.2).

Пропитка древесины ели

Пропитка древесины березы

заготовки

-о-п = 450 об/мин -х- п = 900 об/мин н— п = 1350 об/мин

Рисунок 1.2 - Номограммы для определения времени пропитки в зависимости от породы древесины, частоты вращения платформы центрифуги п и отношения

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Кучер Сергей Валерьевич, 2019 год

К - дк

(■) max

(1.61)

На рисунках 1.13 - 1.18 представлены результаты расчета плотности брикетов из измельченной коры и опилок в зависимости от параметров удара.

Рисунок 1.13 - Плотность брикета из древесной коры при массе груза т = 25 кг

[23], [38]

Рисунок 1.14 - Плотность брикета из измельченной коры при массе груза т = 50 кг [23], [38]

Рисунок 1.15 - Плотность брикета из измельченной коры при массе груза т = 75 кг [23], [38]

Рисунок 1.16 - Плотность брикета из древесных опилок при массе груза т = 25 кг [23], [38]

Рисунок 1.17 - Плотность брикета из опилок при массе груза т = 50 кг [23], [38]

Рисунок 1.18 - Плотность брикета из опилок при массе груза т = 75 кг [23], [38]

Расчетные данные несколько отличаются от экспериментальных в большую сторону, поскольку при составлении теоретической модели не учтены демпфирующие свойства прессуемого материала. Автор [23] предлагает направление дальнейших исследований - уточнение математической модели прессования коры и опилок ударом с учетом вязкого сопротивления уплотнению.

Представляют интерес результаты исследования вибрационного уплотнения древесных материалов [70]. На рисунке 1.19 представлена расчетная схема прессования измельченной коры под воздействием гармонической нагрузки.

Рисунок 1.19 - Расчетная схема уплотнения измельченных древесных материалов под воздействием вибрации: 1 - промежуточная масса; 2 - прессформа; 3 -шток; 4 - вибровозбудитель; 5 - древесная кора; 6 - жесткое основание [70]

Математическая формулировка задачи представлена системой дифференциальных уравнений [70]:

С?2

1 т„

С4 - 23 ) +

п

СХ сИ2 С 2 2

= - — I- С4 (24 - 23 )-

т I

п

С?2

1

С2 (22 - 2 )+ П2

V С С у

V & С у

С с

- Р Бт сЫ

- Р

+ Р

у

С23

V С? С? у С? С?

(1.62)

С?2

= -~ I- С2 - 2 )-т I

п

С22 С2 С? С?

+ С2 + п 2

где т - масса, п - параметр вязкого сопротивления, с - параметр жесткости, 2 -перемещение (нижние индексы соответствуют элементам расчетной схемы по рисунку 1.19)

Начальные условия к решению системы следующие [70]:

? = 0, ^ = 0, ^ = 0, ^ = 0, = 0

л2

л2 ' л2

л2

(1.63) 51

Выполнен анализ численного решения системы уравнений (1.62), результаты которого показали перспективность применения вибрационных нагрузок при формировании транспортных пакетов отходов окорки [70].

По результатам анализа исследований в области применения динамических нагрузок при прессовании древесных материалов можем сделать вывод о перспективности их применения при обработке измельченных отходов лесоперера-ботки. Дальнейшее уточнения описания процессов уплотнения с использованием динамических нагрузок следует вести в области построения моделей, учитывающих реологические параметры материала, характеризующие его вязкое сопротивление.

1.5. Обзор результатов исследований в области измельчения древесных материалов

Отходы лесопереработки и низкотоварную древесину используют, в том числе, в энергетических целях [1] - [5], [22], [23], [36]. Например, предложены способы переработки отходов окорки и опилок в топливные брикеты. Заметим, что для производства брикетов могут являться и отходы раскряжевки хлыстов и тонкомерная древесина, однако сырье необходимо предварительно доизмельчать [1] - [4]. В этой связи проводились исследования измельчения кусковых отходов лесопереработки на оборудовании с различными рабочими органами, классификация оборудования представлена на рисунке 1.20 [22].

сл

ас ас о и ас

£ С

Рисунок 1.20 - Типы рабочих органов измельчителей древесных отходов

и 22

3 3

£ ' :

И>

О, Ю

и

Оч Он

3 0>

Н

3

К

яе

к ■щ

н

о

И О

С

»а

нЧ

Я

а о Б ч сЗ та га РЧ

Одним из главных вопросов в области измельчения древесных отходов является определение энергоемкости измельчения. Известны результаты исследований измельчения отходов окорки ножевыми [1] - [4] и молотковыми рабочими органами [22].

Современное оборудование с ножевыми рабочими органами отличается высокой надежностью и производительностью, способно измельчать кусковые отходы с диаметром до 50-70 мм [1] - [4]. Главным недостатком является его высокая стоимость. Молотковые дробилки сравнительно проще по конструктивному исполнению и дешевле, хотя их производительность и качество продукта измельчения ниже.

Энергоемкость измельчения древесных материалов может быть рассчитана с использованием одного из трех законов измельчения, вывод которых изложен в [22]. Все три закона опираются на понятие степени измельчения I [1] - [3], [22]:

Б

I = (1.64)

d

ср

где Оср - средняя крупность измельчаемого сырья, dср - средняя крупность продукта измельчения.

Первый закон, получивший название закона Риттингера, формулируется следующим математическим выражением [1] - [3], [22]:

I -1

Ай = Ккд • 1— (1.64)

и Б

ср

где Ад - работа измельчения, Q - масса измельчаемого материала, К - эмпирический коэффициент пропорциональности.

Средние крупности измельчаемого сырья и продукта измельчения в законе Риттингера рассчитывают по формулам [1] - [3], [22]:

У

d (1.65)

' у V

в =

Е —

—

Е—

Е в

(1.66)

где Wj - процентное содержание определенной фракции сырья или продукта измельчения («узкий класс»), Dj - средние размеры определенной фракции («узкого класса»), j - порядковый номер.

Второй закон измельчения, названный законом Кирпичева-Кика, представлен формулой [1] - [3], [22]:

4, = КкО • 1п I (1.68)

Средние крупности в закон Кирпичева-Кика рассчитывают по формулам

[1] - [3], [22]:

Е— 1п d

] ]

d =

ср

В =

ср

Е— Е — 1п в ]

Е—

(169)

(1.70)

Третий закон измельчения, носящий имя закона Бонда, записывается так

[1] - [3], [22]:

4 = кво

1

1

(1.71)

ср д / Вср J

Средние крупности продукта измельчения и измельчаемого сырья определяются выражениями [1] - [3], [22]:

г V

Е—

d =

ср

Е

—,■

№

(1.72)

Б =

ср

Е

Е

(1.73)

В работе [22] установлено, что измельчение коры хвойных пород древесины на молотковых дробилках корректнее описывается законом Бонда, установлены значения коэффициента пропорциональности Кв, зависящего от влажности коры (рисунок 1.21).

40

■§35

к

^ 30

25

30 40 50 60 70 80 90

Ж, %

Рисунок 1.21 - Коэффициент пропорциональности в законе измельчения коры при различной влажности сырья (молотковые дробилки) [22]

В работах [1] - [3] показано, что при измельчении коры хвойных пород древесины на оборудовании с ножевыми рабочими органами соблюдается закон Кирпичева-Кика, коэффициент пропорциональности КК зависит от влажности сырья (рисунок 1.22).

0.65

^ 0.35

н 0.55

0.25

30 40 50 60 70 80 90

Ж, %

-О-сосна НИ-ель

Рисунок 1.22 - Коэффициент пропорциональности в законе измельчения коры при различной влажности сырья (ножевые измельчители) [1] - [3]

Оборудование с ножевым рабочим органом более распространено в настоящее время, поэтому в дальнейших исследованиях будем ориентироваться на данные [1] - [3].

К сожалению, в ходе анализа литературных источников встречено сравнительно мало сведений об энергоемкости измельчения цельной древесины. Однако, в работе [1] - [13] показано, что коэффициент пропорциональности в законе измельчения Кирпичева-Кика практически функционально связан с пределом прочности коры при перерезании поперек волокон в тангенциальном направлении. В этой связи полагаем, что представление об энергоемкости измельчения древесины можно получить на основании сведений о пределе прочности при перерезании, что будет проработано в ходе теоретических и экспериментальных исследований в нашей работе.

Результаты исследований энергоемкости измельчения древесных отходов предлагаем включить в более общие модели технологических процессов комплексной лесопереработки, что позволит сделать модели более универсальными в части возможности принятия решений по организации переработки сырья.

1.6. Выводы по главе

Анализ состояния вопроса в области переработки низкотоварной древесины и отходов позволил сделать следующие выводы:

1. Диверсификация производства (то есть одновременное развитие многих видов производства, расширение ассортимента производимых изделий в рамках одного предприятия) за счет организации переработки низкотоварной древесины является перспективным направлением совершенствования лесозаготовительного производства.

2. Эффективность заготовки и обработки низкотоварной древесины во многом определяется обоснованностью производственного процесса. Достигается эффективность процесса принятием оптимальных решений по месту и технологии заготовки и обработки сырья, а также виду и объему готовой продукции, выпускаемой из низкотоварной древесины.

3. Модифицирование низкотоварной древесины позволяет повысить эффективность лесоперерабатывающих предприятий. Распространенными операциями модифицирования являются пропитка и прессование. Пропитка древесины включается практически во все основные процессы модифицирования; прессование древесины используется в технологических процессах, направленных на повышение механических свойств древесины.

4. Как следует из анализа результатов работ предыдущих исследователей, к настоящему времени накоплена обширная теоретическая и экспериментальная база по пропитке древесины. Тем не менее, строение древесины учитывается, в основном, качественно. Для перехода к количественному описанию влияния строения древесины на ее пропитываемость требуются дальнейшие исследования, которые позволят в явном виде учесть силы,

возникающие в капиллярах и порах при проникновении в них пропиточной жидкости.

5. В области прессования современная теория обработки цельной древесины строится на положениях, следующих из решения дифференциального уравнения связи напряжения и деформации линейной модели тела Бюргерса. Дальнейшее уточнение и развитие теории возможно за счет разработки математической модели прессования древесины, строящейся на зависимости напряжения от степени прессования при заданной скорости плит пресса, при этом в модели следует разделять мгновенные и длительные составляющие деформации.

6. В ряде технологических процессов происходит доизмельчение и измельчение древесного сырья. В ходе анализа литературных источников встречено сравнительно мало сведений об энергоемкости измельчения цельной древесины. Ранее было показано, что коэффициент пропорциональности в законе измельчения практически функционально связан с пределом прочности коры при перерезании поперек волокон в тангенциальном направлении. В этой связи полагаем, что представление об энергоемкости измельчения древесины можно получить на основании сведений о пределе прочности при перерезании, что будет проработано в ходе теоретических и экспериментальных исследований в нашей работе. Результаты исследований энергоемкости измельчения предлагаем включить в более общие модели технологических процессов комплексной лесопереработки, что позволит сделать модели более универсальными в части возможности принятия решений по организации переработки сырья.

Цель работы - получить комплекс научно-обоснованных результатов, уточняющих и развивающих представление об основных операциях переработки низкотоварной древесины.

Задачи исследования:

1. Разработать и исследовать уточненную математическую модель прессования древесины строящуюся на зависимости напряжения от степени прессования при заданной скорости прессования и учитывающую различие мгновенных и длительные составляющих деформации.

2. Разработать и исследовать математическую модель процесса пропитки древесины с учетом сил, возникающих в капиллярах и порах при проникновении в них пропиточной жидкости.

3. Разработать и исследовать математическую модель измельчения древесины, прогнозирующую энергоемкость операции доизмельчения.

4. Провести верификацию полученных результатов.

5. Разработать рекомендации по использованию полученных результатов в практике организации переработки низкотоварной древесины на нижних складах.

2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

2.1. Разработка уточненной математической модели прессования древесины

В ряде работ для моделирования поведения древесины при прессовании использована реологическая модель вязкоупругого тела Бюргерса, структурная схема которой представлена на рисунке 2.1 [6].

Модель состоит из четырех элементов. Первый из них, характеризующийся модулем упругости Е1, служит для учета обратимых упругих деформаций при прессовании, возникающих мгновенно после приложения нагрузки, и так же мгновенно останавливающихся после ее снятия. Параллельные друг другу элементы с модулем упругости Е2 и вязкостью ц2 отражают развитие эластических

1^1 П;

12

Рисунок 2.1 - Структурная схема реологической модели вязкоупругого тела Бюргерса

деформаций, которые развиваются во времени вплоть до некоторого предела, а после снятия нагрузки - постепенно восстанавливаются. Элемент с вязкостью пз служит для учета необратимых деформаций, на развитие которых затрачивается время.

Рассмотрим подробно составление дифференциального уравнения связи напряжения о и деформации е тела Бюргерса согласно [6].

Для элементов модели можем записать следующие равенства:

а = £ Е (2.1)

& = Е2£2 + Ъ

Ж

dsJ Ж

£ I ^ £

(2.2)

а = Щ~3 (2.3)

(2.4)

Дважды дифференцируем уравнения (2.1) и (2.4) по времени I, уравнения (2.2), (2.3) дифференцируем один раз по I. Объединив полученные выражения в систему, запишем:

Е £ = а

Е

1 dt d £

Е

1 dt

Е2£2 + Ъ d£

dа

dt _d2 а

2~ = dt2

dt

+ Л2

dt d £

а

dа

dt2 dt

= а

Ъ

ds3 dt

d £ dа

Ъ

dt2

dt

I &2 I £ £ d2 £ d £ d £ d2 £

+

+

dt2 dt2 dt2 dt2 Теперь перепишем систему уравнений (2.5) в матричной форме:

(2.5)

<

Е 0 0 0 0 0 0 0 0

0 0 0 Е 0 0 0 0 0

0 0 0 0 0 0 Е 0 0

0 Е 0 0 Л2 0 0 0 0

0 0 0 0 е2 0 0 Л 2 0

0 0 0 0 0 Лз 0 0 0

0 0 0 0 0 0 0 0 Л3

1 1 1 0 0 0 0 0 0

0 0 0 0 0 0 1 1 1

81 82 83

Жг

Жг

Жг Ж2 8

ж Ч

Жг2

ж ч

ч Жг2 J

а Жа

Жг

ж а

Жг2 а Жа

Жг а Жа

Жг 8

Ж ч

Жг2.

Решение системы уравнений (2.6) получим по формуле:

' 8 Л

8

83

Жг Ж82 Жг

Жг Ж Ч

Ж Ч

Жг2 Ж2 8 Жг2

Е 0 0 0 0 0 0 0 0

0 0 0 Е 0 0 0 0 0

0 0 0 0 0 0 Е 0 0

0 Е 0 0 Л 2 0 0 0 0

0 0 0 0 Е 0 0 Л2 0

0 0 0 0 0 Л3 0 0 0

0 0 0 0 0 0 0 0 Л3

1 1 1 0 0 0 0 0 0

0 0 0 0 0 0 1 1 1

' а ^ Жа

Жг

Ж 2а

Жг2 а Жа

Жг а Жа

Жг 8

Ж2 8

Жг7

(2.6)

(2.7)

Выполнив матричные преобразования, получим вектор решений системы уравнений (2.7):

е1

йег йг йе2 йг йеъ

йг й \

йг2

й\

йг2 й 2е3

л2

Е Е2

й 2 а а

+ —

Е

а

Л2

Е Е Е 2

йг2

й2 а

12

йг2

2

а

---+

а

Е

Пт_ а Е2 йг

Л2 йа

л

2

+

Е \лъ йг

л2

йа Л2 й а

+ 2

Е22

йа

Е Е2 йг Е2л3 йг

1 йа

+ е-

йг2

Е2 йг2

Е йг

Л2 й2а 1 йа л2 йа л2 й2а

ее 2 йг2

+

Е йг

+

а Лз

Е2Л3 йг

Е йг2

Е йг2

1 й2а 1 йа й2е

+

Е йг2

л3 йг

1 йа

л3 йг

йг2

(2.8)

Выпишем из вектора (2.8) выражения для первых производных деформаций по времени:

йе

йе _ 1 йа йг Е йг

Л2 й2а л2 + Лз йа л2 й2е

йг ЕЕ йг

Ел йг Е йг2

йе

1

—а

(2.9)

(2.10)

(2.11)

йг л

Далее воспользуемся однократно продифференцируем уравнение (2.4) по времени V.

йе йе йе йе,

— = —1 +--2 +--3 (2.12)

йг йг йг йг

После подстановки выражений (2.9) - (2.11) в уравнение (2.12) получим дифференциальное уравнение связи напряжения и деформации в модели тела Бюргерса:

2

d_V + ЕГ + Er + Er V + EEa = E + EE dl (2 13) dt2 Г2Г3 dt rr 1 dt2 rj2 dt

Как правило, исследователи пользуются решением уравнения (2.13) при постоянной напряжении а = const, когда начальные условия к решению уравнения (2.13), как следует из схемы на рисунке 2.1, следующие:

s(0) = 0 (2.14)

dg(0)_r2 +Гз

dt rr

В этом частном случае получим следующую формулу

у (2.15)

(e + Е У & &

s = —-+ — t--exp

Е1Е2 Г3 Е2 v Г2 j

r e2 л —21

(2.16)

Главным недостатком модели принято считать то, что деформации элемента с вязкостью пз не имеют предела и развиваются с течением времени неограниченно, что видно из уравнения (2.16). Это обстоятельство противоречит практике.

Исследуем решение уравнения (2.13) при постоянной скорости прессования, определяющейся уравнением:

р

V = р (2.17)

где Т - время прессования, вк - конечная относительная деформация заготовки, достигаемая к моменту остановки плит пресса.

Относительную деформацию заготовки в этом случае определим по формуле:

р = VI (2.18)

Уравнение (2.13) примет вид:

+ Е^2 + + Е2пъ + ЕЕ 0 = ЕЕу (2 19) dt2 Л 112пъ щ .

Как следует из схемы на рисунке 2.1, начальные условия к решению уравнения (2.19) следующие:

а

(о) = V-

Л2Л3

Л 2 +Лз

йа(о)

йг

= о

(2.20)

(2.21)

Уравнение (2.19) в этом случае имеет громоздкое аналитическое решение (представлено в приложении), которое, после преобразований и упрощений, пре-

небрегая малозначимыми членами, можно представить формулой:

а = VЛз

1 - ехр