Совершенствование технологии механической окорки лесоматериалов. Часть 8
Совершенствование технологии механической окорки лесоматериалов. Часть 7. Влияние температуры окружающей среды на эффективность роторной окорки
Совершенствование технологии механической окорки лесоматериалов. Часть 6. Моделирование влияния влажности на особенности процесса разрушения коры при роторной окорке
Совершенствование технологии механической окорки лесоматериалов. Часть 5. Анализ методов расчета показателей процесса окорки
Совершенствование технологии механической окорки лесоматериалов. Часть 4. Технологические аспекты расчета параметров процесса окорки
Совершенствование технологии механической окорки лесоматериалов. Часть 3
Совершенствование технологии механической окорки лесоматериалов. Часть 2. Фрезерные окорочные станки и их инструментальное оснащение.
Совершенствование технологии механической окорки лесоматериалов. Часть 1. Задачи и способы окорки древесины
Рассмотрим влияние фактора низкой (ниже 0 °С) температуры окружающей среды на отделение коры от древесины, поскольку вода и лед, как отмечалось в предыдущих публикациях, обладают разной сжимаемостью, а также отличаются по упругопластическим и вязким свойствам.
Таблица 1. Показатели окорки бревен сосны разного диаметра
разного диаметра
Таблицу и рисунки смотрите в PDF-версии журнала
Анализ регрессионных зависимостей между диаметром бревен и толщиной коры, проведенный Михаилом Симоновым для различных древесных пород, позволил создать график, отражающий связь между hк и dб, в частности, для трех древесных пород - осины, сосны и лиственницы (рис. 1). Очевидно, что чем толще кора древесины, тем сложнее развитие механизма силового воздействия на нее короснимателя.
Геометрические параметры dб и hк кряжа предопределяют достижение необходимой удельной силы окорки . При диаметре хвойного бревна более 0,3 м и толщине hк = 7 мм величина достигает 30 кН/м при отрицательных температурах (Т < 0oC). С изменением диаметра мерзлой ели dб в пределах 0,2-0,5 м величина увеличивается в 1,77 раза.
Помимо силовых факторов необходимо учесть влияние диаметра кряжа на кинематические параметры окорки.
Толстые бревна рекомендуется окаривать на невысоких скоростях подачи uп, снижая при необходимости частоту вращения ротора окорочного станка и увеличивая угол окорки. Это связано с тем, что при входе толстых бревен в роторный станок на больших скоростях окорки наблюдаются отрицательные динамические явления, приводящие к деформациям короснимателей и износу подшипников ротора.
На рис. 2 представлены графики зависимости угла окорки δ (град.) от диаметра кряжа dб (см), сделанные на основании анализа влияния dб на установку δ (линия 1 соответствует отрицательным температурам древесины, а линия 2 - положительным).
На рис. 3 приведен график зависимости относительной прочности на скалывание осины (ось ординат) от относительного диаметра бревна (ось абсцисс) летней (прямая 1) и зимней (прямая 2) заготовок.
График позволяет сделать вывод: если при окорке сосны в зимних условиях зависимость σск(dб) более сильная по сравнению с установленной в летних условиях, то при окорке осины ситуация прямо противоположная.
Вместе с тем наблюдаются близкие значения угловых коэффициентов для летних и зимних образцов осины. Это обусловлено тем, что плотность коры сосны существенно ниже плотности коры осины; менее плотные материалы обладают большей способностью впитывать и удерживать влагу, а при понижении температуры - лед, который увеличивает силу внутреннего сцепления частиц коры как друг с другом, так и с частицами заболонного слоя древесины.
Наряду с этим на сцепление С оказывает влияние и предел прочности на разрыв (рис. 4), который для сосны составляет σр = 1-2 МПа, а для осины σр = 9,9-12 МПа.
Таким образом, кора, являясь композицией из древесного вещества, защемленного воздуха, льда и незамерзающей влаги, представляет собой анизотропный слоистый массив с переменными по глубине физико-механическими и прочностными свойствами, оказывающими в ряде случаев разнонаправленное влияние на эффективность процесса окорки.
Следовательно, чем больше диаметр кряжа и толщина коры, тем сложнее процесс разрушения последней и технология окорки древесины в целом.
Существующие методы расчета параметров окорки учитывают баланс сил только на поверхностном участке зоны контакта короснимателя с корой и не позволяют оценить развитие предельных разрушающих нагрузок по мере внедрения короснимателя в массив коры с учетом ее толщины.
С целью оптимизации режимов окорки лесоматериалы целесообразно сортировать по признаку толщины (диаметра) бревна и запускать их в роторный станок вершиной вперед, с тем чтобы по мере роста dб плавно увеличивать силу прижима F1 (при постоянной скорости подачи uп) либо постепенно снижать uп при постоянной силе F1. Эти обстоятельства диктуют необходимость оценки сбежистости кряжа Сб и ее влияния на установление допустимых диапазонов вариаций силовых и кинематических параметров окорки.
Расчеты выполнены применительно к условиям окорки свежесрубленных (влажность около W ~100%) зимней заготовки (T ≤ 0оС) кряжей на роторно-скребковом станке ОК-63 при следующих технических характеристиках: dб = 0,10,63 м, uп = 0,15-0,6 м/с, F1 = 730-2900 Н, δ = 1,74-2,35 рад., ω = 135-180 об./мин., L = 0,366 м, коэффициент перекрытия Kп = 1-4.
На рис. 5 представлены графики зависимости критерия разрушения коры S от диаметра dб (м) для сосны (кривая 1) и осины (кривая 2).
Графики соответствуют следующим значениям переменных параметров: uп = 0,3 м/с, F1 = 730 Н, δ = 1,74 рад., ω= 180 об./мин., W = 100%, Т = -5оС, Kп = 2.
Расчеты свидетельствуют, что при таких параметрах окорки сосны условие качественной окорки выполняется для кряжей диаметром до 0,45 м, осины - до 0,35 м. Удельная сила окорки при этом составляет 16,42 и
17,21 кН/м соответственно. При больших значениях dб необходимо корректировать параметры окорки, для того чтобы добиться ее высокого качества.
В табл. 1 представлены результаты расчетов процесса качественной окорки сосновых бревен разного диаметра. Выполнение условия качественной окорки достигалось путем изменения трех параметров - uп, F1, Kп - при постоянстве остальных.
Поскольку с увеличением диаметра кряжа растет и толщина коры, наряду с удельной силой окорки необходимо учесть еще один интегральный показатель: удельную работу Ак (МПа/м), равную отношению силы окорки Fс к объему Vк разрушенной коры. По данным профессора Станислава Бойкова, этот показатель наиболее точно отражает удельные затраты окорки.
На рис. 6 представлены графики зависимостей (dб) и Ак(dб). С увеличением диаметра в 2,5 раза, в частности с 0,2 до 0,5 м, удельная сила возрастает в 1,82 раза. При этом показатель Ак снижается более чем в четыре раза за счет семикратного увеличения толщины коры - с 0,003 до 0,021 м.
Аналогичные расчеты выполнены применительно к условиям процесса окорки осины и сопоставлены с предыдущими результатами расчета показателей окорки бревен сосны различного диаметра, представленными в табл. 1.
На рис. 7 представлены графики изменения показателей и Ак по мере увеличения диаметра dб (м).
Графики на рис. 7 показывают постоянство отношения удельных сил на уровне 1,57 и функциональный (коэффициент R2 = 0,95) рост отношения показателей удельной работы. Этот результат можно объяснить различием характера приращения толщины коры у сосны и осины с ростом dб.
В целом полученный результат, с позиций механики разрушения массива коры, свидетельствует о том, что процесс окорки осины по сравнению с процессом окорки сосны при прочих равных условиях с увеличением диаметра кряжа существенно усложняется и требует адекватного увеличения удельных силовых затрат.
Существующие методы расчета параметров окорки и разработанная модель расчета показателей окорки бревен различного диаметра, с учетом изменения толщины коры, исходят из условия, что диаметр кряжа dб задан и является постоянной величиной.
Однако из практики известно, что dб по длине ствола Lк - величина переменная, и это необходимо учитывать в практических расчетах и прогнозах показателей окорки.
Разработанная модель позволяет оценить влияние такого показателя, как сбежистость кряжа Сб, на вариации параметров и показателей окорки.
С этой целью сотрудниками Лесоинженерного факультета СПбГЛТУ была решена следующая вариационная задача.
При постоянной величине Lк (для станка типа ОК-63 принята минимальная Lк = 3 м). Исходя из различных значений наибольших диаметров комля dк и вершины dв сбежистость Сб (%) определялась по формуле:
Далее в диапазоне допустимых значений диаметров кряжа (dв, dв) с помощью программы генерации случайных чисел по закону равномерного распределения формировалась выборка диаметров di, для которых реализовывалась разработанная математическая модель и в результате формировались выборки расчетных значений параметров и показателей окорки (Xi). Статистическая обработка полученных выборок позволила установить значения их характеристик - математического ожидания M(Xi), дисперсии D(Xi) и коэффициента вариации v(Xi) в зависимости от параметра Сб.
На рис. 8 для условий окорки сосны в графическом виде представлены результаты статистического моделирования применительно к оценке вариации силовых характеристик (X1 = F1, X2 = ). По оси ординат отложены коэффициенты вариации v1(F1) и vc() (%); силы прижима F1 (прямая 1) и удельной силы (прямая 2), соответственно, - по оси абсцисс, Сб,%.
Полученные результаты позволяют, в частности, задавшись фактической величиной сбега, установить допустимые диапазоны отклонений силовых параметров от математических ожиданий.
Так, при сбеге Сб = 10% и M() = 19,37 кН/м среднее квадратичное отклонение составило
т. е. допустимый диапазон вариации удельной силы равен
или
При выдерживании силового диапазона (1) обеспечивается возможность стабилизации процесса качественной окорки кряжа с учетом его фактического сбега.
Таким образом, разработанная математическая модель позволяет как определить оптимальные параметры окорки различных лесоматериалов, так и оценить диапазон их допустимых значений в зависимости от диаметра кряжа и величины его сбега.
Игорь ГРИГОРЬЕВ, д-р техн. наук,
проф. кафедры технологии
лесозаготовительных производств СПбГЛТУ,
Антон ГУЛЬКО, аспирант кафедры технологии
лесозаготовительных производств СПбГЛТУ
