ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ПЕРЕРАБОТКИ ДРЕВЕСИНЫ НА ЩЕПУ ОСОБЫМИ НОЖАМИ В МЕХАНИЗМЕ РЕЗАНИЯ ДИСКОВОЙ РУБИТЕЛЬНОЙ МАШИНЫ

 

Рубцов Ю.В., Коннова Г.В., Щетинин В.С., Рудько С.В.

(ГОУ ВПО «КнАГТУ», г. Комсомольск-на-Амуре, РФ)

 

The research of the reprocessing of the felled timber to woodching by shecnel cutting knife in disk chipper mechanism.

 

В существующих рубительных машинах образование щепы регулируется только по длине за счет изменения вылета ножа. Поэтому критерием оценки качества щепы является получаемый выход щепы. Щепа должна быть с номинальными или очень близкими к ним размерами, а качество срезов должно обеспечивать равномерную и быструю пропитку щепы при ее варке.

Ножи представляют собой стальные пластины с прямолинейным единичным лезвием. Они предназначены для резания древесины на щепу в продольно-торцевом направлении к волокнам. Происходит скалывание без образования ширины щепы, что приводит к образованию брака.

В деревообрабатывающих производствах процесс резания используют при обработке поверхностей и формировании размеров заготовок и деталей. Детали являются продукцией этого производства. Образующаяся при этом стружка практически не регламентируется по размерной характеристике и является отходом процесса обработки. Отличительной особенностью процесса резания древесины в рубительных машинах является то, что отделяемая при резании стружка (технологическая щепа) является продукцией. К щепе стандартом предъявляются специальные требования по фракционному составу. Процесс резания древесины происходит в условиях срезания толстой стружки [1,2]. При формировании размеров технологической щепы происходит постепенный рост напряжений. Напряженное состояние срезаемого ножом слоя древесины характеризуется напряжениями в зоне контакта передней грани ножа с древесиной.

В результате выполненных экспериментов [3] было установлено, что линия скола щепы не перпендикулярна передней грани ножа. По граням элемента на площадках возникают нормальные сжимающие напряжения, обусловленные давлением ножа на поверхность древесины. По всем граням элемента, согласно теореме Коши, возникают и касательные напряжения, также обусловленные давлением ножа на поверхность древесины.

На рисунке 1 приведен график изменения силы резания в ходе процесса реза щепы. Период установившегося резания (АВ) характеризуется пилообразным изменением силы резания, где каждый цикл соответствует циклу щепообразования. Используя график изменения силы резания, можно подсчитать работу, затрачиваемую на резание, подобрать мощность двигателя и сформировать толщину и длину элемента щепы. Однако невозможно установить ширину щепы для получения однородной (размерной) фракции [3, 4].

Рисунок 1 – График изменения силы резания

 

С целью обеспечения необходимой ширины щепы нами разработаны ножи особой конструкции. На рисунке 2 изображена дисковая рубительная машина резания щепы однородной фракции. Машина содержит раму 1, вал ножевого диска 2, контрнож, режущие ножи, вращающийся ножевой диск 3 с радиально расположенными подножевыми щелями, над которыми расположены режущие ножи особой конструкции, электропривод 4, загрузочный патрон 5.

 

Рисунок 2 – Общий вид дисковой рубительной машины:

1 – рама, 2 – вал ножевого диска, 3 – ножевой диск, 4 – электропривод, 5 – загрузочный патрон

 

На рисунке 3 показан нож особой конструкции (вид сбоку). На передней грани 1 режущего ножа 2 выполнены клиновидные разделительные резцы 3, отстоящие от режущего лезвия 4 на расстоянии а. Угол в плане боковых поверхностей разделительных резцов (рисунок 4) составляет 10^о…40^о, а расстояние между лезвиями разделительных резцов пропорционально ширине b получаемой щепы. На рисунке 4 показан нож особой конструкции в плане.

Качество продукции (древесноволокнистые, кормовые добавки и т.д.), изготовляемой с применением древесной щепы во многом определяется однородностью фракции щепы. Однородность щепы регламентируется длиной, толщиной и шириной щепы. Длина щепы определяется конструктивными особенностями рубительной машины. Толщина щепы регламентируется углом наклона  (см. рисунок 3) передней поверхности ножа. Ширина щепы в основном зависит от свойств древесины, ее структуры и т.д. Таким образом, длиной, толщиной и шириной щепы можно управлять.

 

Рисунок 3 – Режущий нож особой конструкции (разрез)

 

Рисунок 4 – Режущий нож особой конструкции (вид спереди)

 

Рубительная машина (рисунок 5) работает следующим образом. Перерабатываемая древесина 1 подается в загрузочное устройство 2, далее к режущему ножу 3, установленному на ножевом диске 4. Весь механизм резания древесины закрыт кожухом 5. Каждый режущий нож представляет собой пластину с передним  и задним  углом резания. Режущее лезвие 6 резца наклонено к задней поверхности ножа на угол ₁ > , что обеспечивает выступание лезвия резца 7 над передней гранью 8. Все боковые грани резцов симметричны и образуют в плане угол , которым обеспечивается клиновидная форма разделительных резцов.

Рисунок 5 – Схема переработки древесины в однородную фракцию в механизме резания дисковой рубительной машины

 

При включении двигателя рубительной машины вращение передается режущему рабочему органу. Вращающиеся ножи отделяют щепу 9, которая под собственным весом падает вниз на приемный конвейер. При этом длина и толщина щепы имеют регламентированные параметры. По мере врезания ножа в древесину в процесс вступают разделительные резцы 6. Они раскалывают щепу вдоль волокон резцами и разделяют срезанную часть щепы шириной b₁, которая пропорциональна расстоянию b между разделительными резцами. Для определения геометрических параметров разделительных резцов были проведены соответствующие опыты.

Способ оптимизации процесса получения технологической щепы на рубительных машинах заключается в том, что в процессе среза толстой стружки контролируют силу резания и по параметрам ее гармонического изменения корректируют режим резания из условия: чем меньше период, тем меньше толщина щепы, и наоборот, чем меньше размах, тем меньше ширина при постоянной длине щепы. Техническим результатом является повышение качества щепы [5, 6, 7].

Описание задачи оптимизации получения щепы.

Деревоперерабатывающий комплекс отличается высоким уровнем автоматизации и постоянной производительностью. Для того чтобы соединить механизмы в единый непрерывно действующий комплекс, необходимо разработать проект системы управления запасами древесного сырья и иметь запасы готовой продукции в виде стандартной щепы.

Оптимальные методы достаточно широки: от проектирования отдельных структурных элементов технических систем до проектирования узлов оборудования и составления проектов цехов для целлюлозно-бумажных производств. Поэтому необходимо разработать принципиальную схему функционирования системы и выявить ее структуру; тогда задача оптимизации сводится к выбору функций значений переменных, характеризующих размеры отдельных устройств и режимы их работы. Лабораторный анализ и приемо-сдаточные испытания осуществляются по ГОСТ 15815-83 «Щепа технологическая».

Постановка задачи. Технологическая щепа используется в производстве целлюлозы, древесной массы, бумаги, картона, спирта, дрожжей, глюкозы, пищевого кристаллического ксилита, фурфурола, древесноволокнистых и древесно-структурных плит шириной от 5 до 35 мм и толщиной не более 5 мм.

Основными независимыми переменными являются производительность дисковой рубительной машины (F, м³/ч), максимальная проектная мощность проходного размера загрузочного патрона (Н_n), проектная емкость бункера-накопителя с нижней разгрузкой щепы (V, м³) и максимальное давление в накопителе от пневмосистемы (p, Н/м²).

Предполагается, что рубительная машина является стандартной (рисунок 6), поэтому полностью характеризуется производительностью. Кроме того, предполагается также, что бункер-накопитель стандартной щепы отвечает требованиям проекта и предназначен для хранения щепы при любых погодных условиях.

 

Рисунок 6 – Схема производства технологической щепы:

1 – окорка балансов; 2 – мостовой кран; 3 – склад хвойных пород; 4 – склад лиственных пород; 5 – конвейер балансов; 6 – рубительная машина с особым режущим ножом; 7 – циклон; 8 – пневмотранспортная установка; 9 – бункер с нижней разгрузкой; 10 – электропривод

 

Модель процесса производства щепы включает основные соотношения, с помощью которых можно описывать взаимосвязи между независимыми переменными.

Пусть i_макс – максимальное количество щепы в бункере-накопителе, описываемого уравнением воздушного состояния в нем

,

где R – универсальная воздушная постоянная для перевода накопленного объема щепы в плотное до отправки потребителю;

       Т – температура окружающей среды, предполагается постоянной;

       Z – коэффициент сжимаемости щепы в плотном исчислении;

      М – плотность древесины, кг/м³.

Максимальное количество щепы, (рисунок 7) запасенное в бункере-накопителе, равняется площади, ограниченной кривой потребления между точками t₁, t₂, Д и F.

 

Рисунок 7 – Цикл расхода щепы по заказу потребителя

 

Процесс срезания толстой стружки циклический (колебательный). Этот циклический процесс связан с термодинамическими изменениями скорости выхода щепы из бункера. Каждый цикл состоит из временного интервала с периодом t₁, на котором расход щепы в единицу времени невелик и равен Д₀ и временного интервала t₂ - t₁, которому соответствует высокая скорость потребления Д₁. Таким образом,

или

.

Конструкция диска рубительной машины должна обеспечивать управление потоком воздуха, обладающим скоростью , и повышать давление до максимального значения р. Процесс сжатия – изотермический и описывается уравнением

,

где К₁ – первичный коэффициент;

      К₁ – коэффициент полезного выхода технологической щепы;

      р₀ – начальное давление в пневмосистеме без щепы.

Уравнение необходимо дополнить неравенством, устанавливающим, что производительность дисковой рубительной машины F не должна быть меньше средней скорости расхода щепы, т.е. неравенством

.

Кроме того, максимальное давление в бункере-накопителе должно превышать начальное давление в трубопроводе пневмосистемы.

.

Критерием оптимизации является целевая функция одной переменной (рисунок 8).

Рисунок 8 – Показатели качества технологической щепы:

1 – вариант требований стандарта к технологической щепе по показателям качества; 2 – вариант показателя качества технологической щепы рубительной машины «Кархула» (Финляндия) до сортирования; 3 – вариант показателя качества технологической щепы рубительной машины «Кархула» (Финляндия) после сортирования; 4 – вариант показателя качества технологической щепы рубительной машины в механизме резания древесины особым режущим ножом. Качество щепы является критерием оптимальности

 

Представленные зависимости (рисунок 8) являются функциями одной переменной (диаметрами отверстий сит). В анализе представления воспользуемся интерполяционным полиномом Лагранжа в явном виде

Аналитические выражения представленных зависимостей следующие

1 - ;

2 - ;

3 - ;

4 - ,

где х – диаметр отверстий, мм.

Используя критерий оптимальности, определяется глобальный максимум представленных зависимостей. Так как функция  определена на открытом интервале , n – кратно дифференцируема на этом интервале и точка предположительного глобального максимума находится в интервале , то

1) первая производная в точке предполагаемого глобального максимума должна равняться нулю

;

2) вторая производная в точке предполагаемого глобального максимума должна быть меньше или равняться нулю

.

Эти условия являются необходимыми, т.е. в случае их невыполнения точка х^* не может быть точкой глобального максимума.

В данном случае оба условия выполняются, поэтому точку х^* можно считать точкой глобального максимума. Показано, что необходимое условие наличия оптимума в процессе получения однородной щепы в данной точке заключается в том, что данная точка должна быть стационарной в критерии оптимальности.

Таким образом, представленные необходимые и достаточные условия решения задачи оптимизации заключаются в том, что данная точка должна быть стационарной, аналитическое выражение выхода щепы из механизма резания рубительной машины описывается интерполяционным полиномом Лагранжа в явном виде и для выявления глобального максимума необходимо нахождение производных высших порядков, что отвечает критерию оптимизации.

 

Литература

1. Вальщиков, Н.М. Рубительные машины / Н.М. Вальщиков – Л.: Машиностроение, 1970. – 31 с.
2. Рушнов, Н.П. Рубительные машины / Н.П. Рушнов, Э.П. Лицман, Е.А. Пряхин – М.: Лесная промышленность, 1985. – 87 с.
3. Рубцов Ю.В. Исследование процесса резания дисковой рубительной машины /Ю.В. Рубцов, Г.В. Коннова, Г.С. Лейзерович – Актуальные проблемы лесного комплекса. Сб. научных трудов по итогам междунар. Научно-техническ. Конференции. Под ред. Е.А. Памфилова. Вып. 22. – Брянск. БГИТА, 2009. – 274 с.
4. Патент РФ № 2192349 Рубительные машины. Б.Я. Мокрицкий, Ю.В. Рубцов, В.А. Соловьев. / Опубл. 10.11.2002. Бюл. № 31.
5. Патент РФ № 2193966 Способ оптимизации получения щепы на рубительных машинах / Б.Я. Мокрицкий, Ю.В. Рубцов, В.А. Соловьев, Н.С. Медведев / Опубл. 10.12.2002. Бюл. № 34.
6. ГОСТ 15815-83 Щепа технологическая. Технические условия. 3 с.
7. Реклейтис, Г., Рейвиндран, А., Рэгсдел, К. Оптимизация в технике: В 2-х кн. Кн. 1. Пер. с англ. – М.: Мир, 1986. – 41 с.