Прессовое оборудование непрерывного действия в деревообработке

Использование древесины в хозяйственной деятельности человека всегда сопровождалось регулярным улучшением методов обработки и конструктивных форм изделий.

С развитием цивилизации, несмотря на появление новых материалов, древесина применялась всё интенсивнее и интенсивнее. В народном хозяйстве России нет такой отрасли промышленности, в которой не использовалась бы древесина. Наиболее широко она применяется в виде пиломатериалов, фанеры, древесностружечных и древесноволокнистых плит, древесных пластиков, картона, бумаги и т. п. Для уменьшения расхода древесины и регулирования физико‑механических свойств материалов на основе древесины предусматривается внедрение модифицированных древесных материалов и изделий улучшенного качества, и эта проблема требует внимания ученых многих специальностей.

Пьезотермообработка является основой большинства технологических процессов в мебельной, фанерной, деревообрабатывающей промышленности. Значение ее возрастает в связи с необходимостью оптимального использования древесины и полной утилизации отходов без увеличения объемов лесозаготовок. Такая целевая установка является следствием регулярного повышения материальной и социально-экологической ценности лесов. С течением времени это требование будет ужесточаться, что потребует качественных изменений и интенсификации промышленных процессов в деревообработке, новых видов модифицированных древесных материалов, оптимизации их уровня и конструктивных форм изделий и, в конечном итоге, выявления всех резервов экономического использования лесных ресурсов.

Исследования в указанных направлениях ведутся в течение многих десятилетий, но являются разрозненными по постановке, касаются частных задач, имеют, в основном, эмпирический характер и вследствие этого не дают общих и радикальных решений для всех видов древесных материалов и различных режимов их изготовления. Отсутствие единого подхода к оценке динамики изменения физико‑механических свойств во всех вариантах модификации древесины и древесных материалов является слабым местом современной деревообработки.

Современное развитие механической технологии характеризуется комплексным использованием древесины и стремлением использовать все отходы. Степень рациональности использования сырья обычно не принимается во внимание, а оно существенно зависит не только от характера и целевого назначения продукции, но также от принятых технологий. Оптимизация эксплуатационных свойств древесных материалов невозможна без улучшения оборудования и создания его новых видов. Эти взаимосвязанные стороны технического прогресса должны приводить к повышению производительности труда и качества продукции.

Следует отметить, что модификация древесины и древесных материалов при пьезотермообработке позволяет расширить области их применения за счет изменения свойств в необходимом направлении. Современные методы модификации: уплотнение, пропитка, армирование, ориентация частиц, подбор фракционного состава, создание слоистых материалов и т. п. сформировались под влиянием реальных возможностей технологии и часто не в полной мере учитывают физико‑механические особенности исходных компонентов и взаимосвязи их свойств. Эмпирический подход к модификации приводит к недостаточно четким представлениям о возможных пределах регулирования свойств получаемых материалов и изделий, а в ряде случаев к заведомо преувеличенным прогнозам. Поэтому многие предложения не оправдываются, и возникают принципиальные трудности создания модифицированных древесных материалов с заранее заданными свойствами. Например, расширение областей использования древесных материалов требует организации производства древесных плит с дифференцированными от условий применения свойствами. Это, с одной стороны, позволяет максимально удовлетворять требования потребителей, а с другой − рационально использовать сырье, материалы, энерго- и трудозатраты на производство плит и тем самым снижать их себестоимость.

Значительный интерес в настоящее время проявляется к древесностружечным плитам (OSB) с повышенной прочностью и древесноволокнистым плитам (MDF). С другой стороны, во многих отраслях народного хозяйства наблюдается все возрастающий спрос на тонкие плитные материалы толщиной 2−10 мм, которые могли бы заменить фанеру и древесноволокнистыe плиты.

По мере увеличения выпуска и увеличения ассортимента плит область их применения существенно расширится. Древесные плиты еще больше будут использоваться мебельной промышленностью, в капитальном и жилом строительстве, вагоностроении и судостроении, при изготовлении панельных деревянных домов и для внутренней и внешней отделки промышленных интерьеров, в производстве тары.

Всемерное развитие новых, экономически эффективных отраслей производства, рационально использующих природные, материальные и трудовые ресурсы страны, является непременным условием успешного выполнения главной экономической задачи − укрепления материально-технической базы нашей страны. Для ускорения темпов научно-технического прогресса предусматриваются создание и внедрение принципиально новых орудий труда, материалов и технологических процессов, превосходящих по своим технико-экономическим показателям лучшие отечественные и мировые достижения. В частности, предусматривается создание и освоение новых, наиболее экономичных материалов, разработка новых методов их изготовления; по технологии − широкое внедрение прогрессивных, особенно непрерывных технологических процессов.

Одной из важнейших проблем технического прогресса является автоматизация и механизация технологических процессов и ведение их в оптимальных режимах. Современная техника развивается в направлении создания машин и автоматических поточных линий, выполняющих производственные операции без участия человека. Именно в этой области следует ожидать в ближайшем будущем крупнейших качественных скачков и коренного изменения в технологии. В деревообработке вместо малоэффективных прерывистых технологических процессов еще шире будут внедряться экономичные автоматизированные непрерывные и непрерывно-поточные производства, во много раз увеличивающие производительность труда. Первый этап перехода к таким непрерывным производствам − это создание соответствующего оборудования.

При использовании оборудования непрерывного действия для прессования древесных материалов явления, сопровождающие процесс пьезотермообработки, имеют более сложные закономерности, связанные с особенностями передачи и распределения давления и теплового поля. Горячее прессование характеризуется активацией теплообмена, а также изменением плотности и реологических свойств древесного материала. Стабилизация этих процессов свидетельствует об окончании формирования материала. Поэтому особенно важным является анализ взаимодействия прессующих органов с обрабатываемым материалом в прессах непрерывного действия (валковых, ленточно-валковых, роторных), т. к. давление прессования здесь имеет пульсирующий характер, что влияет на напряженное состояние материала.

Знание свойств древесины, термодинамических процессов, а также обоснование расчета нагрузок на рабочие органы прессов позволяют провести оптимизацию как конструктивных параметров оборудования, так и качества изготовляемого материала.

На Международном лесопромышленном Форуме (Санкт-Петербург, октябрь 2000 г.) обсуждались два важных вопроса, определяющих пути будущего развития деревообрабатывающей промышленности. Во-первых, это неизбежное увеличение потребления древесины, примерно в два раза к 2020 году, а во-вторых, резкое повышение значения и ценности лесов в связи с ростом численности населения и урбанизацией образа жизни. Поэтому оптимизация использования древесины является одной из важных задач сегодняшнего дня.

Высокие темпы научно-технического прогресса, присущие современности, коснулись и технологического оборудования. Непрерывно улучшаются такие параметры машин, как мощность, точность и производительность. Однако принципиальное усовершенствование оборудования невозможно без глубокого проникновения в осуществление процесса, без создания необходимых теоретических предпосылок его расчета и проектирования. Это в первую очередь относится к оборудованию для пьезотермообработки древесных материалов.

В настоящее время назрела необходимость решительного ускорения в деле создания новых, надежных, экономических и высоко производительных машин для пьезотермообработки. Это требует усовершенствования методов их расчета и уточнения исходных данных относительно действующих нагрузок и законов движения рабочих органов.

Именно в этой области отсутствуют обоснованные и проверенные теоретические построения, имеющие первостепенное значение для древесных материалов в связи с их спецификой. Большое значение имеет и то, что подавляющее большинство технологических процессов в пьезотермообработке древесных материалов имеет циклический характер. Это существенно снижает производительность труда из-за неизбежных затрат времени на вспомогательные процессы и выдержку. Радикальное увеличение производительности может быть достигнуто на основе непрерывных процессов при использовании проходных прессующих устройств, особенно для производства плитных материалов. Дополнительные преимущества непрерывных производственных процессов заключаются в возможности более полно внедрить механизацию и автоматизацию и значительно снизить трудоемкость производства, что имеет первостепенное значение в условиях рыночных экономических отношений. Во многих отраслях деревообработки как у нас, так и за рубежом наблюдается тенденция к переходу на непрерывные процессы. Это в значительной степени объясняется не только стремлением к повышению производительности труда, но и характером операций в механической технологии древесины. Создание проходных устройств для пьезотермообработки древесных материалов невозможно без учета всех происходящих при этом явлений. Переход на непрерывные процессы пьезотермообработки усложняет взаимосвязь режимов и свойств материала и увеличивает влияние конструктивных параметров оборудования.

Таким образом, можно утверждать, что оборудование для пьезотермообработки является в современной технологии древесных материалов одной из главных проблем, решение которой невозможно без детального изучения всех закономерностей взаимодействия. В то же время параметры оборудования напрямую связаны со свойствами материалов, и их оптимизация должна быть согласованной.

Усилия, направленные на полное устранение непродуктивного вспомогательного времени, привели к созданию прессов непрерывного действия. В настоящее время в производственных условиях реализованы три принципиально отличные системы непрерывного изготовления древесностружечных плит плоского пpессования на базе ленточно-гусеничного, ленточно-валкового и каландрового прессов.

Первой попыткой промышленной реализации метода непрерывного прессования древесностружечных плит была система «Бартрев» на базе ленточно-гусеничного пресса «Леви» (Великобритания, 1950‑е годы). Однако эти установки имели ряд серьезных конструктивных и эксплуатационных недостатков, обусловливающих низкую надежность системы, невысокое качество продукции и сравнительно низкую производительность системы, что на длительное время задержало развитие непрерывного метода.

В 1980‑е годы, с возрождением интереса к методу непрерывного прессования фирма «Бизон-Бэре» (Германия) создала систему непрерывного прессования на базе ленточно-гусеничного пресса, в котором гусеничные цепи образованы шарнирно соединенными между собой стальными плитами, нагреваемыми открытым пламенем газовых горелок. Эта установка сохраняет недостаток системы «Бартрев», заключающийся в высоких контактных напряжениях на поверхностях передачи усилия прессования.

Тогда же фирмой «Вашингтон Аэрен Верке инкорпорейтед» (США) разрабатывался другой вариант пресса непрерывного действия (рис. 1). Пресс состоит из двух горизонтальных стальных лент, находящихся в непосредственной близости друг от друга при прохождении через два горизонтальных промежуточных барабана большого диаметра.

Фирмой «Бизон-Гретен» (Германия) создана промышленная установка на базе каландрового пресса для непрерывного прессования тонких древесных плит (рис. 2). В этой установке непрерывная стальная лента проходит через формующую машину и частично вокруг обогреваемого прессующего барабана.

Однако отверждение стружечно-клеевой массы на криволинейной поверхности под действием давления только от натяжения ленты не позволяет управлять диаграммой прессования, приводит к значительной неоднородности напряжений и является причиной ее повышенного коробления. Механическое выпрямление и выдержка в плотных стопах не снижают разности напряжений, и эти плиты в дальнейшем используются в сочетании с другими элементами, обеспечивающими необходимую жесткость конструкции.

Отмеченные недостатки каландрового пресса исключены в установке, принципиальная схема которой представлена на рис. 3. Установка состоит из двух обогреваемых барабанов 1 с системой натяжных 2 и нажимных 3 валов, стальных бесконечных лент 4 и 5, формирующих машин 6, обеспечивающих формирование одно- или многослойного ковра, устройства для нанесения связующего 7, калибрующих валов 8.

Прессование плиты осуществляется в следующей последовательности. Одно- или многослойный ковер, сформированный на стальной ленте, подается в зону горячего прессования каландрового пресса, образованную стальными полированными лентами, одна из которых обвивает барабан большого диаметра, а другая движется по профилю, образованному системой нажимных валков. Барабан обогревается паром, перегретой водой или маслом до температуры 220-2500С.

Также известны некоторые схемы прессов непрерывного действия, которые могут быть использованы для производства древесностружечных плит, склеивания фанеры и т. д.

Интересна схема пресса для непрерывного склеивания листовых материалов. Пресс включает станину со смонтированными на ней двумя бесконечными лентами, охватывающими ведущие и ведомые барабаны и прессовую часть.

Данными о реализации этого пресса мы не располагаем. Известен ряд патентов США на прессы непрерывного действия, описание которых мы приводим ниже. Непрерывно действующий пресс с бесконечными лентами предназначен для прессования фанеры, древесноволокнистых и древесностружечных плит, и очень напоминает «Бартрев». Пресс состоит из станины, двух стальных непрерывных лент, натянутых на барабаны.

Известна схема одноэтажного пресса непрерывного действия, предназначенного для прессования древеснослоистых пластиков, древесностружечных плит и т. д. Нижняя плита этого пресса образована отдельными прямоугольными плитами, лежащими впритык одна к другой и образующими общую поверхность. Множество деталей и узлов и сложность кинематической схемы рассмотренного пресса позволяют считать неперспективным его использование.

Известна конструкция проходного пресса непрерывного действия для изготовления древесностружечных плит и фанеры. Прессование предлагается осуществлять двумя гибкими лентами, огибающими плиты пресса. В плитах имеются отверстия, через которые под давлением подается подогретый воздух, образуя воздушную подушку толщиной 0,002 мм между плитой и лентой. В металле эта конструкция не осуществлена, а, следовательно, еще не проверена на практике и не может быть рекомендована к производству.

Интерес представляет непрерывный пресс «Контироль» фирмы «3импелькамп». Он состоит из следующих основных узлов: блока цилиндров, создающих давление прессования; прессовых рам, стола, верхней неподвижной траверсы. Расстояние между рамами уменьшается к концу пресса. В зоне калибрования установлена система клиновых дистанционных прокладок, перемещением которых регулируется толщина древесностружечной плиты.

На Киевском фанерном заводе ПДO «Киевдрев» закончен монтаж линии по производству твердых древесноволокнистых плит сухим непрерывным методом. Линия разработана и изготовлена фирмой «Бизон» (ФРГ). Сформированный однослойный древесноволокнистый ковер подпрессовывается в ленточно-валковом прессе. Основу линии составляет непрерывный каландровый пресс АИМ фирмы «Берстрофф» (ФРГ).

Фирма Werke (ФРГ) выпустила первую промышленную линию для облицовывания стружечных плит на базе непрерывного двухленточного пресса. Эта линия работает в Бельгии с 1985 года.

При проведении патентного поиска по вопросам изготовления древесных материалов непрерывными методами было обнаружено, что данной проблемой, а также вопросами применения древесных плитных материалов с возрастающим интересом занимаются некоторые зарубежные фирмы ФРГ, Финляндии, Франции, Англии, CШA, Японии.

В Санкт-Петербургской Лесотехнической Академии разработаны интересные варианты конструктивных решений оборудования непрерывного действия. Так, например, устройство для изготовления древесностружечных изделий (рис. 4) имеет формирующий узел, верхний ленточный транспортер, а также парные профилирующие валки, установленные над нижним ленточным транспортером.

Пресс для непрерывного изготовления профильных погонажных изделий − из древесных материалов (рис. 5), имеющий нижний формирующий узел в виде бесконечного транспортера, несущего матрицы, и верхний формирующий узел с неподвижными пуансонами в виде полых роликов с торцовыми шайбами.

Интересное конструктивное решение представляет собой устройство для непрерывного изготовления плит (рис. 6), включающее пpессующий барабан 6, охваченный стальной лентой, направляющие 7 и натяжные 8 барабаны, а также калибрующие валки 2,3 с выпуклой рабочей поверхностью, что позволяет повысить качество древесного материала за счет снижения разнотолщинности и усиления равномерности плотности по ширине изделий.

Устройство имеет приспособление для замены калибрующих валков. Бомбирование калибрующих валков выполнено по предложенной нами графической кривой, зависящей от свойств древесного материала и нагрузки на валок.

Пресс непрерывного действия (рис. 7) снабжен размещенным внутри верхних прессующих лент приспособлением для изменения профиля входной зоны прессующей ленты, что предотвращает нарушения структуры прессуемого древесного материала. Профиль входной зоны описывается экспонентой, определяемой свойствами прессуемого древесного материала.

Для улучшения физико‑механических показателей древесного материала за счет ликвидации распрессовки создан пресс непрерывного действия для изготовления плит фигурного профиля. Здесь ветви транспортеров выполнены в виде набора лент согласно профилю валков (рис. 8).

Особый интерес представляет многоэтажный пресс непрерывного действия, не имеющий аналогов в мировой практике (рис. 9). Этот пресс имеет механизмы прессования, смонтированные один над другим (2 и 3). Они соединены между собой приводными винтами 9, закрепленными на осях барабанов. Формирующие устройства 21 и 22 расположены на противоположных концах каналов 7 и 8 прессования.

Для производства таких изделий, как фанерные трубы, также разработан способ изготовления и устройство для его осуществления. Это устройство подробно описано в статье «Оборудование непрерывного действия для изготовления фанерных труб».

Ленточно-валковый пресс ЛТА-1 (рис. 10) имеет две системы перемещения бесконечных металлических лент, расположенных одна над другой. Каждая из систем состоит из двух барабанов − приводного и натяжного − с натянутой на них металлической лентой. Для увеличения коэффициента сцепления и температурной изоляции поверхности барабанов покрыты термостойкой резиной. Ленты выполняют несколько функций транспортера, через них передаются температура и давление на обрабатываемые детали.

В рабочей зоне, где осуществляется прессование материала, нижняя лента перемещается по вращающимся в неподвижных опорах валкам, а верхняя − по валкам, расположенным на подвижных прижимных секциях. Натяжение осуществляется изменением межцентрового расстояния барабанов.

Обогрев рабочих ветвей пресса осуществляется с помощью тепло-электронагревательных элементов, расположенных между валками. Для удобства регулировки температуры по длине пресса все нагреватели разбиты на шесть групп, каждая из которых может быть включена или выключена отдельно. Установленные датчики температуры лент на входе и выходе из пресса и электрическая схема щита управления обогревом позволяют автоматически поддерживать заданную температуру.

Величина давления прессования устанавливалась регулировкой зазора между нижним и верхним рядами валков пресса и регулировкой жесткости пружинных опор.

Роторный пресс ЛТА-2 имеет главный прессующий орган-ротор диаметром 1 метр, вокруг которого натянута стальная лента, охватывающая 2 / 3 его поверхности. Это зона, в которой происходит процесс прессования. Второй прессующий орган − стальная бесконечная лента, получающая движение за счет контакта с ротором и валком, расположенным с некоторым зазором по отношению к поверхности ротора. Лента движется по направляющим и поддерживающим валкам. Натяжение ее осуществляется винтовой натяжной станцией. Обогрев ленты и ротора осуществляется с помощью теплоэлектронагревательных элементов, установленных между прессующими валками на некотором расстоянии от внутренней поверхности ленты, а также внутри ротора по периметру его цилиндрической поверхности. Подача прессуемого материала в пресс осуществляется с помощью горизонтального ленточного транспортера, на ленте которого производится его формирование.

Кафедра теории механизмов и машин ЛТА имени С. М. Кирова на протяжении ряда лет занимается вопросами проектирования и оптимизации оборудования и технологиями непрерывного изготовления плитных и погонажных изделий из древесины.

На кафедре спроектирован и изготовлен опытно-лабораторный ленточно-валковый пресс ЛТА-1. В результате многолетних экспериментальных и теоретических исследований по прессованию древесных материалов на оборудовании непрерывного действия был усовершенствован ленточно-валковый пресс ЛТА-1, а затем спроектирован и изготовлен роторный пресс непрерывного действия ЛТА-2. В настоящее время спроектирована и изготовлена опытная установка (УФТ-300) для непрерывного изготовления конических фанерных труб на базе валкового пресса.

Проведенный анализ оборудования непрерывного действия и выполненные теоретические экспериментальные исследования позволили разработать математические модели процесса прессования древесных материалов, которые помогают решить комплекс задач по оборудованию, оптимизации параметров рабочих органов прессов непрерывного действия, а также определить напряженно-деформированное состояние обрабатываемого древесного материала и обосновать параметры пьезотермообработки.

Описанное в статье оборудование в большинстве случаев носит характер экспериментальных разработок. Это перспективные системы для плоского непрерывного прессования. Если представители промышленности заинтересовались данным видом разработок, Санкт-Петербургская Государственная Лесотехническая Академия готова к сотрудничеству в области дальнейшей разработки и проектирования перспективного оборудования непрерывного действия.

В. В. СЕРГЕЕВИЧЕВ, проф., д. т. н., Д. В. СЕРГЕЕВИЧЕВ