Научный журнал
Фундаментальные исследования
ISSN 1812-7339
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 1,749

ЗАКОНОМЕРНОСТИ СОУДАРЕНИЙ И КАЧЕСТВО ОЧИСТКИ БАЛАНСОВ НЕОДИНАКОВОГО ДИАМЕТРА В КОРООБДИРОЧНОМ БАРАБАНЕ

Колесников Г.Н. 1 Доспехова Н.А. 1
1 ФГБОУ ВПО «Петрозаводский государственный университет»
Цель работы – обзор исследований по очистке круглых лесоматериалов от коры и уточнение закономерностей соударений балансов неодинакового диаметра в корообдирочном барабане. Знание этих закономерностей необходимо для совершенствования технологии очистки балансов от коры в целях уменьшения потерь древесины. Как и в монографии Бойкова С.П., соударения балансов в корообдирочном барабане с учетом стохастичности рассматриваются как независимые повторяющиеся испытания по схеме Бернулли. Приняты во внимание геометрические и механические аспекты задачи. Результаты выполненного исследования показывают, что при совместной обработке в корообдирочном барабане балансов неодинакового диаметра более интенсивному воздействию подвергаются балансы меньшего диаметра по сравнению с балансами большего диаметра. Установлена закономерность: уменьшение степени очистки от коры пропорционально квадрату увеличения диаметра. Адекватность результатов исследования подтверждена экспериментальными данными, известными по литературе. Обоснована практическая рекомендация: в целях уменьшения потерь древесины необходимо сортировать балансы по диаметру до загрузки в корообдирочный барабан и обрабатывать балансы в барабане группами, чтобы минимизировать различие диаметров балансов, которые соударяются друг с другом в барабане.
балансовая древесина
неодинаковый диаметр
корообдирочный барабан
1. Бойков С.П. Теория процессов очистки древесины от коры. – Л.: Издательство Ленинградского университета. – 1980. – 152 с.
2. Васильев С.Б., Девятникова Л.А., Колесников Г.Н. Влияние технологии раскроя балансовой древесины на фракционный состав щепы // Известия Санкт-Петербургской лесотехнической академии. – 2011. – № 195. – С. 125–133.
3. Васильев С.Б., Доспехова Н.А., Колесников Г.Н. Численное моделирование взаимодействия еловых балансов неодинакового диаметра в корообдирочном барабане // Resourcesand Technology. – 2013. – Т. 10. – № 1. – С. 024–038.
4. Васильев С.Б., Колесников Г.Н., Никонова Ю.В., Раковская М.И. Влияние локальной жесткости корпуса корообдирочного барабана на изменение силы соударений и величину потерь древесины // Ученые записки Петрозаводского государственного университета. Серия: Естественные и технические науки. – 2008. – № 96. – С. 84–91.
5. Васильев С.Б., Колесников Г.Н., Никонова Ю.В., Раковская М.И. Исследование закономерностей изменения силы соударений с целью снижения потерь при окорке древесины в барабане // Известия Санкт-Петербургской лесотехнической академии. – 2008. – № 185. – С. 195–202.
6. Газизов А.М., Шапиро В.Я., Григорьев И.В. Моделирование процесса разрушения коры при роторной окорке древесины // Вестник Красноярского государственного аграрного университета. – 2008. – № 5. – С. 271–279.
7. Гаспарян Г.Д. Основы метода и технологии ультразвуковой окорки круглых лесоматериалов // Фундаментальные исследования. – 2013. – № 6 (часть 1). – С. 19–23.
8. Григорьев И., Локштанов Б, Куницкая О., Гулько А. Повышение эффективности групповой механической окорки лесоматериалов // ЛесПромИнформ. – 2013. – № 3 (93). – С. 72–76. http://www.lesprominform.ru.
9. Григорьев И., Локштанов Б, Куницкая О., Гулько А. Повышение эффективности групповой механической окорки лесоматериалов. Ч. 2. Основные типы окорочных барабанов // Лес Пром Информ. – 2013. – № 4 (94).– С. 92–96. http://www.lesprominform.ru/
10. Григорьев И.,Локштанов Б, Куницкая О., Гулько А. Повышение эффективности групповой механической окорки лесоматериалов. Часть 3. Конструктивные элементы окорочных барабанов // ЛесПромИнформ. – 2013. – № 5 (95). – С. 94–98. http://www.lesprominform.ru.
11. Григорьев И., Локштанов Б., Куницкая О., Гулько А. Повышение эффективности групповой механической окорки лесоматериалов. Ч. 4. Технологические характеристики процесса сухой окорки в барабанах // Лес Пром Информ. – 2013. – № 6 (96). – С. 76–78. http://www.lesprominform.ru.
12. Григорьев И., Локштанов Б, Куницкая О., Гулько А. Повышение эффективности групповой механической окорки лесоматериалов. Часть 5. Размеры окариваемых лесоматериалов // Лес Пром Информ. – 2013. – № 7 (97). – С. 80–82. http://www.lesprominform.ru.
13. Девятникова Л.А. Потенциал ресурсосбережения в технологии подготовки круглых лесоматериалов к переработке на щепу // Политематический сетевой электронный научный журнал Кубанского государственного аграрного университета. – 2013. – Т. 88. – № 88–88(04). – С. 188–206.
14. Девятникова Л.А., Васильев С.Б., Колесников Г.Н. Влияние технологии раскроя балансов на фракционный состав щепы // Вестник Московского государственного университета леса – Лесной вестник. – 2012. – № 3. – С. 120–124.
15. Девятникова Л.А., Емельянова Е.Г. Пути повышения эффективности использования древесного сырья на целлюлозно-бумажных комбинатах // Ученые записки Петрозаводского государственного университета. Серия: Естественные и технические науки. – 2012. – Т. 2. –№ 8 (129). – С. 65–68.
16. Никонова Ю.В. Обоснование конструктивно-технологических параметров корообдирочных барабанов с применением численного моделирования динамического взаимодействия балансов: автореф. дис. … канд. техн. наук. – Петрозаводск, 2009. – 20 с.
17. Оскерко В.Е. Новый принцип окорки лесоматериалов // Строительные и дорожные машины. – 2007. – № 3. – С. 13–16.
18. Шапиро В.Я., Григорьев И.В., Гулько А.Е. Анализ методов расчета параметров и обоснование математической модели разрушения коры при групповой окорке древесины // Ученые записки Петрозаводского государственного университета. Серия: Естественные и технические науки. – 2011. – № 8. – С. 92–96.
19. Шегельман И.Р., Колесников Г.Н., Васильев А.С., Никонова Ю.В. Моделирование технологического процесса очистки древесины в корообдирочном барабане с применением метода дискретных элементов // Известия Санкт-Петербургской лесотехнической академии. –2008. – № 184. – С. 172–179.
20. Baroth R. Literature review of the latest development of wood debarking // University of Oulu, Control Engineering Laboratory, 2005. – 29 pp.
21. Isokangas, Ari. Analysis and management of wood room // University of Oulu, Oulu 2010. 115 pp. http://jultika.oulu.fi/Record/isbn978-951-42-6261-6.
22. Öman M. Influence of log characteristics on drum debarking of pulpwood // Scandinavian Journal of Forest Research. – 2000. – Т. 15. – № . 4. – С. 455–463.

По определению, балансовая древесина (балансы) – круглые лесоматериалы в виде отрезков ствола дерева, имеют длину, например, 1–3 м и диаметр 8–24 см. Балансы необходимы для производства целлюлозы.

В данной работе используется геометрическая модель баланса в виде прямого кругового цилиндра.

Очистка от коры является необходимым звеном в технологии подготовки круглых лесоматериалов к их дальнейшему использованию. Крупным потребителем круглых лесоматериалов является целлюлозно-бумажная промышленность, где требуется наиболее высокая степень очистки от коры. Развитие технологий очистки круглых лесоматериалов от коры отражено в работах [1, 8–12]. В целлюлозно-бумажной промышленности технология очистки древесины в корообдирочных барабанах остаётся доминирующей [8–12, 20–22], развиваясь параллельно с роторной [1, 6] и другими технологиями окорки [7, 17].

Большой объем экспериментальных и теоретических исследований по очистке древесины от коры был выполнен в 1970-е годы [21]. Обобщение полученных в эти годы результатов с учетом выполненных до 1980 г. работ, начиная с работы Б.Г. Залегаллера (1949), приведено в монографии С.П. Бойкова [1].

В данной работе рассматривается одна из проблем, источник которой – объективно существующее противоречие требования высокой степени очистки от коры, с одной стороны, и, с другой стороны, необходимости уменьшения потерь древесины при окорке.

Высокая степень очистки балансов от коры достигается увеличением продолжительности их обработки в барабане. Однако в этом случае с течением времени возрастает число ударов по очищенной от коры поверхности баланса, что ведет к разрушению и потерям древесины. Поэтому необходим компромисс между потерями древесины и степенью очистки от коры [1, 5, 7–9].

Согласно [21], потери древесины при очистке в корообдирочных барабанах могут составлять от 1 до 4 %. Это больше, чем при хранении круглых лесоматериалов (от 0,1 до 0,5 %), измельчении на щепу и сортировке щепы (от 0,5 до 2,5 %), транспортировке щепы (от 0 до 0,5 %), хранении щепы (от 0,1 до 1,5 %). Некоторые предложения по уменьшению потерь древесины рассмотрены в статьях [10, 13, 15].

Цель данной работы – исследование закономерностей соударений и качества очистки от коры круглых лесоматериалов неодинакового диаметра в корообдирочных барабанах.

Материалы и методы исследования

Многочисленные факторы, влияющие на качество очистки от коры, можно свести к двум параметрам – количеству ударов и силе контактного взаимодействия при соударениях балансов. Соударения балансов, с учетом стохастичности, рассматриваются в [1] как независимые повторяющиеся испытания по схеме Бернулли. При этом вероятность удара по случайно выбранному участку поверхности баланса равна

koles01.wmf (1)

Здесь ∆S – площадь участка (пятна контакта соударяющихся балансов); S – площадь поверхности баланса. С использованием распределения Пуассона в [1] получена формула для определения вероятности ударов по участку:

p(m ≥ 1) = 1 – e–λt. (2)

Здесь λ – интенсивность соударений (среднее количество ударов по одному участку за единицу времени); t – продолжительность процесса.

Степень очистки от коры принято определять в процентах [21]. Если сила однократного контактного взаимодействия балансов достаточна для разрушения и удаления коры по пятну контакта, то формула (1) определяет зависимость качества окорки от продолжительности обработки и интенсивности соударений λ [1]:

Cdeb = (1 – e–λt)·100 %. (3)

Если для разрушения и удаления коры на рассматриваемом участке необходимо не менее b ударов, то вероятность окорки участка, как показано в [1], равна

koles02.wmf (4)

Качество (степень) окорки в этом случае Cdeb = p(m ≥ b)·100 % .

Результаты исследования и их обсуждение

Рассмотрим геометрические аспекты задачи. В приведенных выше формулах (1)–(4) по умолчанию предполагается, что площадь окоряемой поверхности соударяющихся балансов, а значит, и диаметры одинаковы (если балансы не различаются по длине). Рассмотрим соударение балансов 1 и 2 одной и той же длины L, но неодинакового диаметра, D1 и D2 соответственно. Очевидно, в формуле (1) величина ∆S будет одной и той же для каждого из этих балансов. При этом S1 = πD1L и S2 = πD2L. Согласно (1)

koles03.wmf koles04.wmf (5)

Тогда

koles05.wmf koles06.wmf (6)

Обозначим kD = D1⁄D2 и перепишем формулу для p2 (6) в виде

p2 = p1kD. (7)

С помощью коэффициента kD моделируется влияние только геометрических характеристик и ∆S (5). Формула (6) показывает, что с увеличением диаметра баланса степень его очистки от коры линейно уменьшается. Однако в реальных технологических ситуациях с увеличением диаметра баланса степень очистки уменьшается нелинейно [12]. Это несоответствие указывает на то, что не приняты во внимание некоторые существенные характеристики. Предположим, что такой характеристикой является интенсивность соударений λ в формулах вида (2)–(4). Влияние только изменений интенсивности соударений учтем с помощью некоторого коэффициента kλ. Тогда, моделируя совместное влияние геометрических и физических характеристик на p2 (7), запишем:

p2 = p1kDkλ. (8)

Чтобы определить kλ, обратимся к работе [3], в которой показано, что с уменьшением диаметра балансов количество соударений в единицу времени возрастает (примерно линейно). На этом основании можем записать:

koles07.wmf koles08.wmf (9)

Таким образом, коэффициент kλ = D1⁄D2 равен указанному выше коэффициенту kD. Тогда

koles09.wmf (10)

Правомерность такого подхода к учету влияния интенсивности соударений с помощью коэффициента kλ можно обосновать следующим образом. Примем во внимание, что

koles10.wmf (11)

Тогда зависимости вида (2) можно аппроксимировать линейными соотношениями:

koles11.wmf

koles12.wmf (12)

Учитывая (9) и (12), получим:

koles13.wmf

koles14.wmf (13)

Формула (13) моделирует влияние только физических характеристик балансов на вероятность их соударений. Совместное влияние изменений геометрических и физических характеристик учитывается произведением коэффициентов kD и kλ в формулах (8), (10).

Необходимо подчеркнуть, что формулы (8) и (10) не предназначены для вычисления вероятности соударений и степени очистки балансов. Эти формулы отражают только качественные характеристики (закономерности) рассматриваемого процесса.

Результаты экспериментов по исследованию влияния диаметра лесоматериалов на качество окорки приведены в [12]. Эти данные с достаточной точностью аппроксимируются полиномом второй степени (рисунок), что подтверждает адекватность формулы (10).

pic_34.tif

Влияние диаметра баланса на качество очистки от коры, D10 = 10 см

Обсуждение и заключение

Выполненное исследование подтверждает существование закономерности: уменьшение степени очистки от коры пропорционально квадрату увеличения диаметра баланса (10). Поэтому при совместной обработке в корообдирочном барабане балансов неодинакового диаметра более интенсивному воздействию подвергаются балансы меньшего диаметра по сравнению с балансами большего диаметра. Эта закономерность подтверждается известными экспериментальными данными [12] и результатами численного моделирования [3].

Если все балансы будут иметь одинаковый диаметр, то процесс очистки от коры будет наиболее эффективным по затратам времени и по критерию потерь древесины. Объясняется это тем, что площадь боковой поверхности балансов малого диаметра меньше, и, согласно (6) и (7), эти балансы будут освобождены от коры за меньшее число соударений. Очистка же от коры балансов большего диаметра требует, соответственно, большего числа соударений. Если в соударениях участвуют уже очищенные от коры балансы малого диаметра, то разрушается древесина этих балансов. Отсюда следует, что необходимо сортировать балансы по диаметру до загрузки в корообдирочный барабан и обрабатывать балансы в барабане группами, чтобы минимизировать различие диаметров загруженных в барабан балансов.

Работа выполнена в рамках реализации комплекса мероприятий Программы стратегического развития ПетрГУ на 2012–2016 гг.

Рецензенты:

Сюнёв В.С., д.т.н., профессор, директор Института рационального природопользования на Европейском Севере, г. Петрозаводск;

Малинов Г.И., д.т.н., профессор кафедры механизации сельскохозяйственного производства, ФБГОУ ПетрГУ, г. Петрозаводск.

Работа поступила в редакцию 05.12.2013.


Библиографическая ссылка

Колесников Г.Н., Доспехова Н.А. ЗАКОНОМЕРНОСТИ СОУДАРЕНИЙ И КАЧЕСТВО ОЧИСТКИ БАЛАНСОВ НЕОДИНАКОВОГО ДИАМЕТРА В КОРООБДИРОЧНОМ БАРАБАНЕ // Фундаментальные исследования. – 2013. – № 10-15. – С. 3328-3331;
URL: https://fundamental-research.ru/ru/article/view?id=33060 (дата обращения: 28.09.2021).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074