Совершенствование технологии окорки лесоматериалов резанием путем оптимизации основных параметров процесса
На правах рукописи
ГУМЕРОВА Оксана Михайловна
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ОКОРКИ ЛЕСОМАТЕРИАЛОВ РЕЗАНИЕМ ПУТЕМ ОПТИМИЗАЦИИ ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ ПРОЦЕССА
05.21.01 – Технология и машины лесозаготовок и лесного хозяйства
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Петрозаводск – 2011
Работа выполнена на кафедре технологии лесозаготовительных производств Санкт-Петербургской государственной лесотехнической академии имени С. М. Кирова
Научный руководитель доктор технических наук, профессор
Григорьев Игорь Владиславович
Официальные оппоненты доктор технических наук, профессор
Васильев Сергей Борисович
кандидат технических наук, доцент
Цыгарова Марина Валентиновна
Ведущая организация Государственное образовательное
учреждение высшего
профессионального образования
«Братский государственный университет»
Защита диссертации состоится «22» апреля 2011 г. в 14 часов на заседании диссертационного cовета Д 212.190.03 при Петрозаводском государственном университете по адресу: 185910, Россия, Республика Карелия, г. Петрозаводск, пр. Ленина, 33.
С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке
Петрозаводского государственного университета.
Автореферат разослан «_____» марта 2011 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета Р.В. Воронов
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. Развитие отраслевой науки должно быть направлено на создание «эффективной системы использования природных ресурсов». Именно это требование содержалось в одном из посланий Президента РФ Федеральному Собранию. Оно конкретизировано и развито в Концепциях развития лесного хозяйства и лесопромышленного комплекса, одобренных Правительством России. В Перечень Приоритетных направлений развития науки, технологий и техники в РФ, утвержденного Президентом РФ 21 мая 2006 г. Пр-843 включен пункт «Рациональное природопользование».
Окорка является одной из основных технологических операций, выполняемых на большинстве лесопромышленных складов.
Для чистой окорки лесоматериалов, наиболее предпочтительно использовать фрезерные окорочные станки. Станки такого типа распространены, и исследования, направленные на совершенствование их конструкции и технологии работы являются актуальными.
Оценка работы окорочного оборудования складывается из показателей качества поверхности лесоматериалов после окорки, количества потерь древесины и возможности дальнейшей утилизации отходов окорки, которая наиболее эффективна при разделении массива коры на пробку и луб.
Цель работы. Совершенствование технологии механической окорки лесоматериалов за счет обоснования основных параметров работы фрезерных окорочных станков.
Объект исследований. Кора и древесина основных древесных пород.
Предмет исследования. Процесс механической окорки лесоматериалов на фрезерных окорочных станках.
Научная новизна работы. Разработанная модель взаимодействия ножевого инструмента с контактной поверхностью коры деревьев дополняет знания о механизме процесса разрушения элемента коры под действием максимальных растягивающих касательных напряжений. Полученные в результате построения модели соотношения позволяют в зависимости от принятых параметров окорки и физико-механических свойств коры оценить усилия, необходимые для достижения качественных показателей окорки.
Значимость для теории и практики. Математические модели роторной окорки и результаты их исследования углубляют теорию механической окорки круглых лесоматериалов. Предложенная методика расчета и управления основными параметрами процесса позволяет разрабатывать организационные, технологические и технические мероприятия, обеспечивающие стабильность качественных показателей окорки круглых лесоматериалов на фрезерных окорочных станках.
Достоверность выводов и результатов исследований обеспечена: применением методов математической статистики; проведением экспериментальных исследований в лабораторных и производственных условиях и подтвержденной адекватностью полученных моделей за счет удовлетворительной сходимости экспериментальных и теоретических данных.
Апробация работы. Основные положения диссертации и отдельные ее разделы докладывались и обсуждались на первой и второй международных научно-практических Интернет конференциях «Леса России в XXI веке» (Санкт-Петербург, 2009 г.); Международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы развития лесного комплекса» (Вологда, 2010 г.); Межвузовской научной конференции «Молодая мысль: Наука. Технологии. Инновации» (Братск, 2009 г.); Международной научно-практической конференции «Современные проблемы лесозаготовительных производств, производства материалов и изделий из древесины: пиломатериалы, фанера, деревянные дома, заводского изготовления, столярно-строительные изделия» (Санкт-Петербург, 2009 г.); и ежегодных научно-технических конференциях Санкт-Петербургской государственной лесотехнической академии имени С.М. Кирова в 20082011 гг. Часть материалов работы вошла в проект «Селективная окорка лесоматериалов», который по итогам конкурса на лучшие инновационные проекты в сфере науки и высшего образования в 2009 году, проводимого Комитетом по науке и высшей школе Санкт-Петербурга, признан победителем в номинации «Лучшая научно-инновационная идея». Часть материалов работы получена при выполнении НИР по государственному контракту П1209 по ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России на 2009-2013 годы», по направлению «Переработка и утилизация техногенных образований и отходов» в рамках мероприятия 1.3.1.
Публикации. Материалы диссертации опубликованы в четырнадцати работах. Три статьи опубликованы в журналах, рекомендованных ВАК РФ. Результаты исследований отражены в научно-технических отчетах по НИР.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, основных выводов и рекомендаций, списка литературы. Общий объем работы 159 страниц. Диссертационная работа содержит 64 рисунка, 15 таблиц. Список литературы содержит 144 наименования.
На защиту выносятся следующие положения:
- Разработанная модель взаимодействия ножевого инструмента с контактной поверхностью коры деревьев, базирующаяся на модели внедрения острого индентора в полупространство, раскрывает механизм процесса разрушения элементарного слоя коры под действием максимальных растягивающих касательных напряжений.
- На основе реализации математической модели установлены количественные соотношения, учитывающие влияние геометрических, силовых и кинематических параметров на качество окорки бревен, физико-механические свойства коры которых меняются в зависимости от внешних факторов влажности и температуры окружающей среды.
- Установлены зависимости толщины массива коры и отдельных ее слоев (пробки и луба), в зависимости от породы древесины и диаметра бревна.
- Техническое решение, обеспечивающее селективную окорку на фрезерных станках.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении сформулирована актуальность темы диссертационной работы, определена цель исследований, изложены научная новизна, значимость для теории и практики, сформулированы основные положения, выносимые на защиту.
1. Состояние проблемы и задачи и исследования.
В разделе рассмотрено место окорки в современных технологических процессах лесопромышленного производства, сделан сравнительный анализ способов окорки круглых лесоматериалов, типоразмерных рядов фрезерных окорочных станков и их инструментального оснащения. В частности рассмотрены станки для продольной фрезерной окорки лесоматериалов, станки для винтовой фрезерной окорки лесоматериалов, поперечные станки для фрезерной окорки, фрезерные станки для фрезерной заточки тонкомерной древесины, станки с фрезерными окорочными модулями роторного типа, агрегатное оборудование токарно-фрезерного типа. Показано влияние строения и состояния коры на показатели процесса окорки. Выполнен обзор авторских свидетельств на технические решения по совершенствованию конструкции и технологии фрезерных окорочных станков. Подробно рассмотрена оценка качества работы окорочного оборудования, в частности возможности применения петли качества для оценки работы окорочного оборудования, и разработка методологии управления качеством работы окорочного оборудования. Сделан анализ современных методов расчета технических параметров процесса окорки древесины резанием.
Фундаментальный вклад в теорию окорки лесоматериалов внесли С.П. Бойков, С.Б. Васильев, А.В. Житков, Б.Г. Залегаллер, В.Д. Никишов, Л.М. Перелыгин, Г.И. Торговников, М.Н. Симонов, И.Р. Шегельман, Н.Ф. Пигильдин, А.М. Газизов и др. ученые СПбГЛТА, МГУЛ, ВГЛТА, ПетрГУ, ЦНИИМЭ, КарНИИЛПКа и др.
Анализ НИР показал, что известные соотношения для определения основных параметров фрезерной окорки, учитывают только конструктивные и кинематические особенности режима фрезерования, а собственно материал коры, ее прочностные, упругие и пластические свойства, их изменения в условиях повышения влажности и снижения температуры окружающей среды, т.е. способность сопротивляться механическому воздействию резания в реальных условиях окорки исследованы не полностью.
На основании анализа сформулированы выводы и задачи исследования:
- Разработать и исследовать математические модели окорки лесоматериалов резанием, с учетом механизмов деформаций элементарного объема сплошной среды массива коры, ее прочностных, упругих и пластических свойств, и их изменения в условиях повышения влажности и снижения температуры окружающей среды, т.е. способности сопротивляться механическому воздействию резания в реальных условиях.
- На основе реализации математической модели, получить количественные соотношения зависимости силовых и кинематических параметров для управления процессом окорки, позволяющие эффективно влиять на достижение заданного качества отделения коры от древесины.
- Экспериментальным путем исследовать процессы, возникающие при фрезерной окорке лесоматериалов.
- Получить зависимости толщины массива коры и отдельных ее слоев (пробки и луба) от породы древесины и диаметра ствола.
- Разработать техническое решение, обеспечивающие выполнение селективной окорки на фрезерных станках.
2. Теоретические исследования процесса разрушения коры при фрезерной окорке древесины
2.1. Математическое моделирование процесса фрезерной окорки древесины. При рассмотрении различных технологий окорки, как с применением окорочных станков строгающего типа для грубой окорки рудничной стойки, так и фрезерных станков с использованием цилиндрической, конической или дисковой фрез, основным моментом в процессе разрушения является механизм взаимодействия ножа с контактной поверхностью коры.
Именно толщина hc слоя коры, срезаемого фрезой за один проход (глубина резания), является тем параметром, от величины которого зависят такие параметры окорки, как величина выпуска ножей hф, средняя сила окорки Fср, скорость подачи бревна vп, высота кинематической волны к и др.
Однако соотношения для определения указанных параметров учитывают только конструктивные и кинематические особенности режима фрезерования, а собственно материал коры, ее прочностные, упругие и пластические свойства, их изменения в условиях повышения влажности и снижения температуры окружающей среды, т.е. способность сопротивляться механическому воздействию резания в реальных условиях окорки не нашли адекватного отражения.
Глубина резания hc может устанавливаться как с помощью копира-ограничителя, так и за счет выпуска ножей. В первом случае величина hc не зависит от свойств коры и скоростных параметров станка, а во втором hc может превышать hф.
Рассмотрим схему (рис. 1 а) воздействия резцовой части ножа 1, установленного в корпусе 2 на поверхность 3 коры 4 толщиной hк. Будем считать, что нож имеет угол заточки 1 и взаимодействует с поверхностью 3 под углом резания 2. Нож 1 действует на поверхность 3 коры с заданной силой Fф, нормальная составляющая которой F в зоне контакта площадью s, определяемой параметрами инструмента, создает начальное вертикальное напряжение о.
В плоской постановке задачи в системе нормальной (вертикальной) z и радиальной (горизонтальной) r координат формируется соответствующее напряженное состояние, предельные компоненты которого приводят к разрушению коры на глубину hc.
Математическая модель разрушения, применительно к схеме, представленной на рис. 1 а, базируется на результатах решения задачи Буссинеска о воздействии острого твердого индентора 1 (конуса, пирамиды, клина) на податливое упругое полупространство 4 (рис. 1 б).
Основными геометрическими параметрами зоны контакта ножа и прилегающего слоя коры являются контактное сближение hо и радиус контактной площадки ao, которые зависят от нормальной статической силы 
, угла заточки 1, коэффициента Пуассона коры и ее модуля упругости Е:
; 
. (1)
В этом случае параметр h1, характеризующий удаленность контактной площадки от поверхности 3, будет равен:
. (2)
Произвольный элемент массива 5 в зоне непосредственной близости от ножа 1 на своих главных площадках будет испытывать действия вертикальных z и горизонтальных r напряжений.
Рис. 1. Схема взаимодействия ножа с корой: а) схема воздействия резцовой части ножа на поверхность коры; б) воздействие острого твердого индентора на податливое упругое полупространство; 1 – нож; 2 – корпус; 3 – поверхность коры; 4 – кора; 5 элемент массива
Величину напряжений z определим в виде:
, (3)
где 
; f(,)
двумерная функция безразмерных координат (вертикальной 
и горизонтальной 
):
. (4)
Величины b0, b1, и, входящие в (4), определяются соотношениями:
(5)
Рис. 2. Зависимость вертикальных напряжений от вертикальной координаты: 1 = 0,2; 2 = 0,4; 3 = 0,6
На рис. 2 представлены результаты расчетов в виде графиков изменения величины z от вертикальной координаты при трех значениях горизонтальной координаты: =0,2, 0,4 и 0,6. Расчеты выполнены при исходных значениях параметров, соответствующих условиям окорки березы на роторно-фрезерном станке типа ОК-40Б:
Fф=2 кН, Е=300 МПа, =0,25, s=21610 -6, м2, 1=30о, 2=40о. (6)
Анализ данных рис. 2 позволяет сделать ряд выводов. Во-первых, все зависимости с высокой степенью точности подчиняются линейному закону. При этом, по мере удаления от точки контакта (с ростом координаты ) угол наклона прямых, характеризующий интенсивность изменения напряжений, существенно снижается (на 5055% с 15,5 до 9,962). Во-вторых, все графики пересекают ось абсцисс (в данном случае ось 
), т.е. сжимающие вертикальные напряжения на определенной глубине трансформируются в растягивающие, причем момент этой трансформации наступает тем раньше, чем более точка контакта удалена в горизонтальном направлении.
Исходя из того, что предел прочности коры на разрыв р кратно, а в ряде случаев на порядок меньше соответствующей характеристики прочности на сжатие сж (для березы это соответственно 2,23,5 и 19,220 МПа) ответственными за начало и развитие разрушения коры при воздействии острого индентора следует считать растягивающие напряжения.
Величину горизонтальных напряжений с достаточной степенью точности определим через механизм бокового распора:
, (7)
величину максимальных касательных напряжений определим, как:
. (8)
Как показал анализ полученных данных, наблюдаются две устойчивые области напряженно-деформированного состояния коры, в одной из которых действуют преимущественно сжимающие (с отрицательным знаком) касательные напряжения, а в другой положительные растягивающие. При приближении значений координат к 1 ( 1 и 1) максимальные касательные напряжения достигают и несколько превосходят значения величины р, что свидетельствует о реализации процесса разрушения массива коры. Таким образом, в качестве критерия разрушения элементарного слоя массива коры принимаем соотношение:
. (9)
Тогда глубина срезаемого слоя коры hc равна:
(10)
и для данного примера расчета составляет hc=3,59 мм.
Исследуем влияние соотношения углов заточки и резания на результаты фрезерной окорки березы. Рассчитанная зависимость величины hc от безразмерной величины отношения углов 
показала, что, выдерживая силу окорки в диапазоне 1,92,2 кН, при прочих равных условиях с уменьшением угла заточки 1 при, например, постоянном угле 2 =40о величина hc существенно возрастает по линейному закону.
Учитывая установленную величину hc, определим параметры фрезерной окорки: скорость подачи бревна vп, высоту к и длину lк кинематической волны:
, 
, 
(11)
где n частота вращения ротора; N – количество ножей на одной фрезе; D и d соответственно исходный диаметр фрезы и ее диаметр в зоне контакта.
В работе были построены зависимости изменения от величины безразмерного параметра следующих параметров окорки: скорости vп, м/с; высоты к, мм и длины кинематической волны lк, мм. Анализ зависимостей показал, что наибольшее влияние параметр оказывает на изменение величины к, наименьшее (практически влияние отсутствует) – величины lк.
Известно, что с ростом величины vп качество окорки растет, но до определенного предела, поскольку на повышенных скоростях подачи на поверхности бревна появляются микронеровности в виде кинематических волн, а именно величины к и lк являются одними из основных критериев качества окорки. При снижении vп ширина полосы фрезерования сужается и производительность станка падает. Таким образом, существует рациональная область изменения vп, обеспечивающая предельно допустимые значения величины к. Установим зависимость к(vп), основываясь на их зависимостях от. В общем случае имеем:
и 
.
Логарифмируя эти соотношения и исключая ln, получим:
. (12)
С помощью соотношения (12), задавшись условием, что высота кинематической волны не превысит значение =1, т.е. к
aо, получим ограничение на величину скорости подачи:
. (13)
Для условий расчетов (6) при =0,75 имеем: при vп
0,4 м/с предельная величина к
1,12 мм.
Интегральным показателем силовых затрат и произведенной работы сил резания при фрезерной окорке бревна на глубину снимаемого слоя hc является величина средней силы окорки, равная:
, (14)
которая, для принятых условий на примере окорки бревна березы, составила Fср=0,46 кН, т.е. 22,9% от начальной силы Fф=2 кН.
Выполненные расчеты необходимо дополнить учетом влияния таких факторов как влажность коры (W,%) и температура (Т, град.) окружающей среды.
2.2. Расчет параметров фрезерной окорки в условиях повышения влажности и изменчивости физико-механических свойств коры. Исследуем влияние влажности на изменение упругопластических и прочностных свойств коры различных пород деревьев и оценим степень этого влияния на достижение конечных результатов фрезерной окорки.
Известно, что снижение влажности клеток камбия и луба приводит к резкому увеличению сцепления С, МПа между клетками камбия и клетками прилегающего слоя древесины, что увеличивает силы сопротивления коры сдвигу. Величину С можно определить с помощью прочностных характеристик:
. (15)
С ростом влажности массив коры теряет свойства хрупкости и в большей степени проявляет пластические свойства. Хрупкость можно оценивать по коэффициенту 
. Причем при увеличении считается, что хрупкость материала возрастает, а коэффициент Пуассона снижается, и наоборот.
На основании известных данных о плотности к сухой коры при положительной температуре, сж и р для трех пород деревьев (сосны, осины, березы), показатель влажности которых не превышал 4050% были определены показатели С и.
Результаты расчетов показали, что выбранные породы существенно отличаются по своим упругопластическим и прочностным свойствам. Причем корреляционная связь между р и С достаточно тесная и близка к функциональной (коэффициент корреляции R равен 0,996) тогда как связь между сж и С практически отсутствует (R=0,217).
С ростом влажности вода в порах коры замещает защемленный воздух, и плотность к растет. При этом, чем выше начальная плотность сухой коры, тем меньший объем воды проникает в ее поры. То есть низкоплотная кора сосны более интенсивно поглощает влагу по сравнению с высокоплотной корой осины и березы, что приводит к более резкому снижению прочностных показателей и величины сцепления и способствует увеличению объемов разрушения коры. С другой стороны, поскольку модуль упругости Е пропорционален изменению плотности к, с ростом влажности величина E соответственно возрастает.
Анализ соотношения (1) свидетельствует в этом случае об определенном снижении показателей aо и hо и, как следствие, величины hc, определяемой с помощью (10). То есть, с увеличением влажности наблюдается рост упругих характеристик, который приводит к снижению размеров разрушаемого слоя коры.
Определив hc, можно оценить такие параметры фрезерной окорки как скорость подачи бревна vп и высота к кинематической волны по выражению (11).
Разработанная модель с использованием соотношений (1)(15) позволила оценить влияние влажности коры W на достижение показателей фрезерной окорки бревен при dб=0,4 м и постоянных угловых параметрах 1=0,523 рад. и 2=0,698 рад.
В табл. 1 приведены полученные результаты расчетов для одной породы деревьев – березы с толщиной коры hк=12,4 мм.
По результатам обработки данных табл. 1 в относительном виде, приняв показатели для сухой коры (W=50%) за 1, в зависимости от относительной влажность (
), были построены графики относительных значений силы окорки (
), скорости подачи (
) и высоты кинематической волны (
). Анализ этих графиков показал, что увеличение влажности оказывает различное количественное влияние на параметры окорки. Наиболее вариативным параметром окорки, в максимальной степени реагирующим на изменение влажности коры, является сила окорки, наименее вариативным – скорость подачи бревна.
Таблица 1 Влияние влажности коры березы на показатели фрезерной окорки
| W,% | к, кг/м3 | Е, МПа | р, МПа | Fф, кН | hc, мм | vп, м/с | к, мм | |
| 50 | 770 | 300 | 2,3 | 0,25 | 1,40 | 3,67 | 0,37 | 0,94 |
| 100 | 824 | 321 | 1,1 | 0,28 | 0,64 | 2,38 | 0,30 | 0,60 |
| 150 | 856 | 334 | 0,74 | 0,3 | 0,42 | 1,88 | 0,27 | 0,47 |
Полученные результаты позволили распространить разработанный методический подход к сопоставительному анализу показателей окорки бревен сосны, осины и березы при постоянном диаметре dб=0,4 м и толщине коры, вычисленной в зависимости от dб, по корреляционным соотношениям. Для сосны hк=12,8 мм, осины hк=12,1 мм и березы hк=12,4 мм, т.е. факторы dб и hк при анализе результатов оказывали незначительное влияние. В табл. 2 представлены результаты расчетов для осины и сосны.
Таблица 2 Результаты расчетов параметров фрезерной окорки для бревен осины (числитель) и сосны (знаменатель)
| W,% | Fф, кН | hc, мм | vп, м/с | к, мм |
| 50 | 5,8/0,85 | 8,1/4,1 | 0,53/0,39 | 2,12/1,04 |
| 100 | 2,7/0,39 | 5,2/2,33 | 0,43/0,30 | 1,34/0,59 |
| 150 | 1,73/0,25 | 4,0/1,72 | 0,38/0,26 | 1,02/0,43 |
Анализ данных таблиц 1 и 2 позволяет сделать ряд выводов.
Во-первых, при обработке низкоплотной сосны фактор влажности оказывает более существенное влияние на показатели фрезерной окорки по сравнению с окоркой осины и березы. В первую очередь это относится к показателю качества окорки – параметру к.
Во-вторых, при разрушении прочной коры осины даже при достижении влажности W150%, снижении силы окорки до Fф=1,73 кН и скорости подачи до vп=0,38 м/с показатель качества окорки составил к1 мм. Это более чем в два раза превышает значения данного показателя по сравнению с окоркой бревен березы и сосны. Полученный результаты позволяет корректировать параметры фрезерной окорки бревен различных пород деревьев в зависимости от фактора влажности и его влияния на изменения физико-механических свойств коры.
2.3. Расчет параметров фрезерной окорки древесины при отрицательных температурах. Известно, что температура окружающей среды существенно влияет на изменения таких прочностных свойств коры, как предел прочности на скалывание, тогда как величина предела прочности на перерезание слабо зависит от температуры. Исследуем влияние фактора температуры на изменение упругопластических и прочностных свойств коры различных пород деревьев и оценим степень этого влияния на достижение конечных результатов фрезерной окорки.
Кора деревьев, в первую очередь луб и камбий, в изобилии содержат влагу, которая при понижении температуры превращается в лед, что способствует увеличению внутреннего сцепления С частиц слоев коры и древесины, что в конечном итоге увеличивает силы сопротивления коры сдвигу. Величину С можно определить с помощью соотношения (15), т.е. основываясь на прочностных характеристиках коры.
С понижением температуры массив коры усиливает свойства хрупкости и утрачивает пластические свойства. Массивы коры выбранных трех пород деревьев существенно отличаются по своим упругопластическим и прочностным свойствам. Причем корреляционная связь между р и С достаточно тесная и близка к функциональной (R=0,996):
, (16)
тогда как связь между сж и С практически отсутствует (R=0,217), как и связи между, к и С.
В первом случае этот вывод говорит о слабой корреляции между коэффициентом Пуассона и температурой, а во втором – о слабом влиянии температуры и на величину E. Таким образом, единственная устойчивая связь установлена между величиной сцепления и величиной предела прочности коры на разрыв.
Этот вывод был подтвержден и при обработке показателей свойств коры деревьев ели, лиственницы, пихты и дуба.
Согласно известным данным, функцию изменения C(Т) можно представить в виде:
, (17)
где С(0) – сцепление коры при Т=0 град.
Тогда (16) с учетом (17) принимает вид:
, (18)
и установленные значения р используются при выполнении критерия разрушения (9).
В табл. 3 представлены результаты расчетов силы окорки Fф, скорости подачи бревна vп и высоты кинематической волны к, в зависимости от изменения температуры Т от 0 до -20 град.
Анализ данных табл. 3 свидетельствует о том, что понижение температуры приводит к существенному росту необходимой для качественной окорки древесины силы Fф при относительно незначительном увеличении скорости подачи бревна vп. При этом показатель качества окорки снижается, поскольку абсолютная величина к растет.
Таблица 3 Результаты расчетов параметров окорки от температуры
| Т, град. | Порода древесины | ||||||||
| Сосна | Осина | Береза | |||||||
| Fф, кН | vп, м/с | к, мм | Fф, кН | vп, м/с | к, мм | Fф, кН | vп, м/с | к, мм | |
| 0 | 0,85 | 0,39 | 1,04 | 5,80 | 0,53 | 2,12 | 1,40 | 0,37 | 0,94 |
| -5 | 0,86 | 0,40 | 1,05 | 6,85 | 0,55 | 2,31 | 2,15 | 0,41 | 1,16 |
| -10 | 1,23 | 0,42 | 1,26 | 8,50 | 0,57 | 2,59 | 2,80 | 0,43 | 1,33 |
| -15 | 1,68 | 0,45 | 1,47 | 10,7 | 0,60 | 2,92 | 3,60 | 0,46 | 1,51 |
| -20 | 2,20 | 0,48 | 1,69 | 13,0 | 0,62 | 3,23 | 4,61 | 0,48 | 1,72 |
Анализ полученных данных позволяет утверждать, что понижение температуры в диапазоне от 0 до -20 град. в различной степени сказывается на увеличении необходимой силы окорки. Несмотря на то, что абсолютные значения Fф при окорке осины значительно превосходят силовые показатели при окорке березы и тем более сосны, в относительном измерении понижение температуры в большей степени оказывает отрицательное влияние и требует больше относительных энергетических затрат при окорке бревен березы. Окорка сосны и осины в этом случае требуют практически одинакового относительного увеличения силовых затрат с понижением температуры. Аналогичный качественный вывод получен при обработке данных табл. 3 в отношении параметра к при окорке тех же пород древесины.
При оценке влияние фактора температуры на увеличение интегральной характеристики силовых затрат на окорку элементарного слоя – средней силы окорки Fср, вычисленной с помощью соотношения (14), было установлено, что фактор понижения температуры более существенно влияет на рост средних силовых усилий на окорку элементарного слоя коры. Причем, если при понижении температуры от 0 до -10 град. отличия между относительным ростом Fф и Fср не превышают 30%, то по достижении Т=-20 град. – достигают 100%. Полученные результаты позволяют корректировать параметры фрезерной окорки бревен различных пород деревьев в зависимости от фактора понижения температуры окружающей среды и его влияния на изменения физико-механических свойств коры.
3. Объект, аппаратура, методика и условия проведения
экспериментальных исследований
В данном разделе описаны задачи экспериментальных исследований, выполнен выбор и обоснование места проведения экспериментальных исследований, измеряемых показателей и характеристик, описан стенд и электроизмерительная аппаратура экспериментальных исследований, дано обоснование точности измерения и достоверности эксперимента, длительности опыта и числа измерений.
Экспериментальные исследования проводились в лабораторных и производственных условиях. Оригинальный лабораторный стенд (патент № 76597) позволил с большой точностью получить экспериментальные данные о параметрах процесса окорки, а также влиянии основных параметров предмета труда и настроек окорочного станка на достижение качественных показателей окорки.
Экспериментальные исследования в производственных условиях проводились на базе ЗАО «Ломоносовский ДПЗ». В программу этого этапа экспериментальных исследований входило определение статистических характеристик толщин слоев коры бревен, подлежащих окорке.
4. Результаты теоретических и экспериментальных исследований
В результате исследования математических моделей, которая производилась при помощи прикладных программ, установлено, что значение толщин массива коры в целом, отдельных ее слоев пробки и луба, в зависимости от диаметра бревна, наиболее точно описываются линейной зависимостью с коэффициентом аппроксимации 0,911. Результаты экспериментальных исследований отличаются от теоретических не более, чем на 6%. Сравнение результатов теоретических и экспериментальных исследований, значение коэффициента неравномерности с определением доверительного интервала, позволяет утверждать, что разработанные математические модели адекватны объекту исследования. Также в разделе разработано техническое решение, обеспечивающее селективную окорку на фрезерных станках.
Предлагается определять сбег и форму бревна непосредственно перед фрезерным окорочным устройством, при помощи 3D сканера, который позволяет получать трехмерную модель бревна в режиме реального времени. При этом, используя данные полученных зависимостей толщины пробки и луба от диаметра и породы бревна, можно перемещать фрезу в вертикальной плоскости, копируя форму боковых поверхностей бревен, осуществляя тем самым фрезерование на заданной глубине для отделения только пробки или луба, а минимизируя потери древесины при очистке ее поверхности.
Структурная схема послойного отделения корки и луба примет следующий вид, рис. 3.
Рис. 3. Структурная схема отделения пробки и луба при фрезерной окорке лесоматериалов
Круглые лесоматериалы перемещаются через измерительное 3D устройство 1, которое передает информацию в программу оптимизации построения сплайн-линий перемещения фрезерных головок на требуемую глубину. Программа работает на основании установленных эмпирических расчетных зависимостей и данных о породе древесины. Однако, в подавляющем большинстве случаев, фрезерной окорке подвергают только однотипные лесоматериалы, обычно, подлежащие пропитке. Лесоматериалы 2 перемещаются по продольному транспортеру с одновременным винтовым движением для обработки всей продольной поверхности бревен фрезами. Фрезы 3 и 4 на основании имеющихся сведений о толщинах пробки и луба в зависимости от диаметра, а также данных оптимизационной программы перемещаются на заданную высоту для их последовательного послойного удаления.
Общие выводы.
- Для чистой окорки лесоматериалов, подлежащих пропитке, наиболее предпочтительно использовать окорочные станки, выполняющие окорку методом фрезерования.
- Качество работы окорочного оборудования складывается из показателей качества поверхности лесоматериалов после окорки, количества потерь древесины и возможности дальнейшей эффективной утилизации отходов окорки, которая достигается при послойном разделении массива коры на пробку и луб.
- Сжимающие вертикальные напряжения при окорке резанием на определенной глубине трансформируются в растягивающие, причем момент этой трансформации наступает тем раньше, чем более точка контакта удалена в горизонтальном направлении. Ответственными за начало и развитие разрушения коры при воздействии острого индентора следует считать растягивающие напряжения.
- Наблюдаются две устойчивые области напряженно-деформированного состояния коры, в одной из которых действуют преимущественно сжимающие (с отрицательным знаком) касательные напряжения, а в другой положительные растягивающие, причем в последней области наблюдаются различные по уровню напряжений зоны.
- Наибольшее влияние отношение угла заточки к углу резания оказывает на изменение высоты кинематической волны, наименьшее – на длину кинематической волны.
- Полученные в результате реализации модели соотношения, позволяют в зависимости от принятых параметров окорки и физико-механических свойств коры, оценить усилия, необходимые для достижения качественных показателей окорки.
- С увеличением влажности массива коры наблюдается рост упругих характеристик, который приводит к снижению размеров разрушаемого слоя коры. При окорке бревен сосны фактор влажности оказывает более существенное влияние на показатели фрезерной окорки по сравнению с окоркой осины и березы. В первую очередь это относится к такому показателю качества окорки, как высота кинематической волны.
- Расчетным путем установлена устойчивая связь между величиной сцепления и величиной предела прочности коры на разрыв.
- Понижение температуры приводит к существенному увеличению силы окорки. При этом показатель качества окорки снижается, поскольку амплитуда кинематической волны растет.
- Значения толщин массива коры в целом, отдельных ее слоев пробки и луба, в зависимости от диаметра бревна, наиболее точно описываются линейной зависимостью, с коэффициентом аппроксимации 0,911.
- Основой рекомендуемого технического решения, обеспечивающего селективную окорку на фрезерных станках, являются 3D сканеры и полученные зависимости толщины слоев коры от породы и диаметра бревна.
Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:
- Газизов А.М., Григорьев И.В., Гумерова О.М. Повышение качества окорки лесоматериалов // Вестник КрасГАУ, № 10. 2009 г. С. 132-141.
- Газизов А.М., Григорьев И.В., Гумерова О.М. Моделирование процесса разрушения коры при окорке резанием // Известия СПбГЛТА. 2010. № 193, С. 18-24.
- Григорьев И.В., Шапиро В.Я., Ильюшенко Д.А., Газизов А.М., Гумерова О.М. Влияние диаметра и сбега бревен на процесс механической окорки // Известия СПбГЛТА. 2011. № 194, С. 220-229.
- Гумерова О.М. Методика расчета параметров окорки лесоматериалов фрезерованием при отрицательных температурах / «Технология и оборудование лесопромышленного комплекса» Межвузовский сборник научных трудов. Выпуск 5. СПб.: ЛТА 2010 г. С. 4352.
- Газизов А.М., Шапиро В.Я., Григорьев И.В., Гумерова О.М. Пути совершенствования методик расчета технологических параметров механической окорки круглых лесоматериалов / Деп. рукописи: библиогр. указ. ВИНИТИ, 30.09.08. № 547 – В 2008. 25 с.
- Газизов А.М., Григорьев И.В., Гумерова О.М. Анализ технических решений по повышению качества поштучной механической окорки круглых лесометриалов / Деп. рукописи: библиогр. указ. ВИНИТИ, 30.09.08. № 546 – В 2008. – 23 с.
- Газизов А.М., Григорьев И.В., Гумерова О.М., Ильюшенко Д.А. Аппаратное обеспечение экспериментальных исследований селективной роторной окорки круглых лесоматериалов / «Технология и оборудование лесопромышленного комплекса» Межвузовский сборник научных трудов. Выпуск 2. СПб.: ЛТА 2008 г. С. 4249.
- Газизов А.М., Григорьев И.В., Гумерова О.М., Ильюшенко Д.А. Анализ типоразмерных рядов роторных окорочных станков и их инструментального оснащения / Деп. рукописи: библиогр. указ. ВИНИТИ, 16.02.09. № 75 – В 2009. – 21 с.
- Шапиро В.Я., Григорьев И.В., Гумерова О.М., Газизов А.М. Совершенствование метода расчета параметров окорки круглых лесоматериалов трением / Материалы первой международной научно-практической Интернет конференции «Леса России в XXI веке». СПб.: ЛТА, 2009. С. 218222.
- Газизов А.М., Григорьев И.В., Гумерова О.М. Обоснование показателей качества работы окорочных станков / «Технология и оборудование лесопромышленного комплекса» Межвузовский сборник научных трудов. Выпуск 3. СПб.: ЛТА 2009 г. С. 8185.
- Газизов А.М., Гумерова О.М., Ильюшенко Д.А. Сравнительный анализ способов окорки круглых лесоматериалов / Молодая мысль: Наука. Технологии. Инновации: Материалы Межвузовской научной конференции студентов, магистрантов, аспирантов и молодых ученых. – Братск: ГОУ ВПО «БрГУ», 2009. – С 7478.
- Газизов А.М., Гумерова О.М., Ильюшенко Д.А. Пути повышения качества окорки лесоматериалов / Материалы Международной научно-практической конференции «Современные проблемы лесозаготовительных производств, производства материалов и изделий из древесины: пиломатериалы, фанера, деревянные дома, заводского изготовления, столярно-строительные изделия». СПб.: НП «НОЦ МТД», 2009. Том. 2. С.179-184.
- Мурашкин Н.В., Газизов А.М., Гумерова О.М., Куприянова Е.А. Экономические вопросы использования отходов окорки в условиях рыночных отношения на предприятиях ЛПК / «Технология и оборудование лесопромышленного комплекса» Межвузовский сборник научных трудов. Выпуск 4. СПб.: ЛТА 2009 г. С. 4653.
- Газизов А.М., Григорьев И.В., Ильюшенко Д.А., Гумерова О.М. Статистические характеристики толщин слоев коры на пиловочных бревнах / Материалы второй международной научно-практической Интернет конференции «Леса России в XXI веке». СПб.: ЛТА, 2009. С. 96100.
Просим принять участие в работе диссертационного Совета или прислать Ваш отзыв на автореферат в двух экземплярах с заверенными подписями по адресу: Петрозаводский государственный университет / 185910, Россия, Республика Карелия, г. Петрозаводск, пр. Ленина, 33 /.
