Совершенствование технологии роторной окорки лесоматериалов путем оптимизации основных параметров процесса (стр. 2 )

= 2,62 - 1,71

С увеличением влажности W вода в порах коры замещает защемленный воздух, что с учетом различий их плотности приводит к росту плотности коры в целом. Чем выше начальная плотность сухой коры ρkо, тем меньший объем воды проникнет в ее поры, т. е. в меньшей степени произойдет относительное увеличение плотности коры в зависимости от ее относительной влажности . И наоборот, низкоплотная сухая кора ели, сосны, лиственницы и других материалов интенсивно поглощает влагу и тем самым увеличивает плотность.

Обобщив известные опытные данные для коры четырех пород – ели, сосны, березы и лиственницы ‑ в комлевой и срединной частях хлыста, установлен логарифмический закон связи () для всех пород деревьев. Расчеты для различных пород деревьев показали, что коэффициент при натуральном логарифме (для ели он равен Kw=0,6724) является функцией начальной плотности коры ρkо.

В итоге получена зависимость () в виде:

(10)

Зависимость (10) отличается от известной теоретической зависимости = 1+W, полученной для оценки влияния влажности на плотность трехкомпонентной среды и более полно отражает протекание этого сложного процесса.

При анализе физико-механических свойств коры различных пород выделяется широкий диапазон изменения характеристики сцепления лиственных деревьев (С=1,18‑5,77 МПа), тогда как кора хвойных деревьев характеризуется более узким диапазоном изменения величины С=1,4‑1,61 МПа. Разрушение коры зависит от величины сцепления С, которая, как показывает взаимосвязь соотношений (9)‑(10), в свою очередь, зависит от влажности W. Полученные исходные данные о влиянии W на характеристики коры позволили перейти к рассмотрению вопроса оценки влияния влажности среды на механизм развития разрушения массивов коры различных пород. Для сопоставительного анализа были выбраны кора сосны, осины и березы для условий окорки свежесрубленного (W=100-130%) бревна диаметром dб=0,4м на станке ОК-63.

Рассмотрим влияние W на развитие процесса разрушения через механизм зависимости σск(W), учитывая, что σск снижается по мере увеличения относительной влажности . Степень этого снижения была определена при обработке известных опытных данных статистическими методами распознавания образов для различных пород деревьев.

Анализ показал, что рост W сильнее сказывается на снижении прочности, чем на увеличении давления в слое коры, в связи с чем, зависимость критерия S(W) – практически линейная, положительная. Предельное состояние (S1) наблюдается при снижении W до 50%. Полученные результаты показали, что чем меньше исходная плотность коры, тем больше влияние влажности на параметры процесса разрушения.

Оценка интенсивности влияния W на S выполнялась посредством производной dS/dW, поскольку в силу линейной связи S(W) производная является угловым коэффициентом наклона прямых. Установлено, что при плотности коры сосны более, чем в 2 раза ниже плотности коры березы, степень влияния влажности на процесс ее разрушения в 4 раза превосходит этот показатель при разрушении высокоплотной коры березы по мере насыщения ее водой. Таким образом, разработанная на данном этапе математическая модель позволяет аналитически учесть влияния влажности коры различных пород на развитие процесса ее разрушения.

Влияние температуры среды на эффективность роторной окорки. Рассмотрим влияние на процесс отделение коры от древесины фактора низкой температура (Т<0оС) окружающей среды, поскольку вода и лед обладают различной сжимаемостью, а также отличаются упругопластическими и вязкими свойствами. Разрушение коры происходит в глубине массива по наиболее слабому камбиальному слою. Коросниматель, внедряясь в кору, разрушает вначале корку и луб, влажность и прочностные характеристики которых, существенно отличаются от камбия.

С понижением температуры внутреннее сцепление частиц С будет усиливаться. При отрицательных температурах (T<0) вода в порах замерзает, а величина С во многом зависит от изменения сил сцепления льда с твердыми компонентами коры. В результате анализа данных об изменении относительной величины внутреннего сцепления в зависимости от относительной плотности материала при различных отрицательных температурах, для любых значений температуры, получена зависимость:

= 0,33 еxp{ (-0,04Т+1,07) }. (11)

Полученные соотношения являются основой для расчета величины приведенного давления и в случае анализа процесса разрушения коры при понижении температуры Т. Для использования критерия разрушения (3) необходимо уточнить влияние Т на величину предела прочности коры на скалывание σск. Статистическая обработка известных опытных данных позволила установить корреляционные зависимости σск(Т) для широкого ряда свежесрубленных (W ≥ 100%) материалов коры различных пород. Необходимо также учитывать то обстоятельство, что величины σск зависит не только от Т, но и диаметра бревна dб, поскольку от последнего зависит толщина коры и степень ее насыщения влагой (льдом). Известные экспериментальные исследования на образцах летних и зимних бревен диаметром dб =0,08‑0,2м для различных пород позволили установить зависимости σск(dб). Полученные результаты позволили сделать ряд выводов: во-первых, установлен линейный характер возрастания относительной прочности коры с увеличением относительного диаметра, т. е. масштабный эффект среды разрушения является весьма существенным; и, во-вторых, что проявление этого масштабного эффекта в зимнее время существенно выше, чем при окорке бревен при положительной температуре.

На основании полученных результатов стало возможным оценить влияние фактора понижения температуры среды на механизм разрушения массива коры различных пород. Апробация модели при изменении Т от 0 до -20оС выполнена для окорки сосны на станке ОК-63. Некоторые характеристики процесса принимались переменными в следующих пределах: dб=0,1-0,63м, uп=0,15-0,6 м/с, F1=730‑2900 Н, δ=1,74‑2,35 рад.; ω=135-180 об/мин, задний и передний углы короснимателя – 0,44 и 0,25 рад., Kп=1‑4.

На рис. 7 показан характер изменения величины по мере увеличения глубины снимаемого слоя коры (в % от hk) для четырех температурных состояний. Данные соответствуют следующим значениям параметров окорки: dб =0,4м; uп=0,3м/с; F1=730 Н; δ=1,74 рад.; ω=180 об/мин; Kп=2. Полученные результаты сопоставлены с предельной характеристикой прочности σск сосны для данных условий, которая по мере снижения Т от 0 до -20оС возрастает и составила соответственно σск=0,34; 0,76; 1,12 и 1,66 МПа.

Рис. 7. Изменение приведенного давления в массиве коры сосны:

1-Т=0; 2-Т=-5; 3-Т=-10; 4-Т=-20оС

Сравнительный анализ показывает, что предельное условие (8) качественной окорки на полную глубину выполняется до значения Т=-7оС (удельная сила окорки достигает величины =16,8 кН/м). Дальнейшее снижение Т требует адекватной корректировки параметров окорки в направлении увеличения давления и выполнения условия (8).

В рамках разработанной модели принимаем, что основными параметрами управления величиной являются: угловой, силовой и кинематический, т. е. путем изменения одного параметра при постоянстве остальных стремимся к выполнению условия (8). Установлено, в частности, что при снижении Т до -15оС и ниже для обеспечения качественной окорки необходимо увеличить угол δ до 2,05рад (в 1,18 раз) и силу прижима F1- до 2000Н (в 2,74 раза), а также снизить скорость подачи uп до 0,15м/с (в 2 раза), увеличив тем самым Kп до 4. В совокупности эти меры приводят к тому, что удельная сила окорки возрастает до =45,9 кН/м. Зависимость (Т) практически функциональная и подчиняется параболическому закону. Фактор температуры в большей степени отражается на силовом и кинематическом параметрах, чем на угловом.

Наиболее важным моментом в процессе разрушения сплошного мерзлого массива при изменении внешней среды является переход температуры Т через нулевое значение. В этой связи поставлена задача изучения процесса разрушения коры в узком диапазоне изменения Т: от 2 до -6 оС, поскольку в этом промежутке происходит фазовое превращение жидкости.

Разработанная модель расчета была реализована на примере трех пород древесины – сосны, осины и березы при следующих параметрах окорки: dб=0,4м; uп=0,45м/с; F1=730‑2900 Н; δ =1,74‑1,9 рад.; ω=135 об/мин; Kп=1, т. е. при постоянном перекрытии путем управления угловым параметром в узком диапазоне и, в основном, за счет силового параметра F1 обеспечивали выполнение критерия полной окорки (8). В качестве интегральной характеристики процесса разрушения принято достигнутое значение удельной силы .

Расчет удельной силы окорки с понижением температуры вблизи нулевого значения для различных древесных пород показал, что, в наибольшей степени изменение температуры сказывается на параметре при окорке осины. Объяснение этому – максимальное значение характеристики внутреннего сцепления С осины и установленное влияние Т на величину С в соответствии с полученным соотношением (11).

Результаты расчета показали, что линейный характер зависимости (Т) удовлетворительно описывает процесс до значения Т=-7 оС. При дальнейшем понижении Т наблюдается нелинейный характер увеличения силы. Кроме этого, что при переходе через нулевую температуру по мере увеличения прочности коры проявляется локальный скачок (максимум) удельной силы . Это наглядно видно, например, (рис. 8) при сравнительном анализе результатов окорки осины и березы. Можно сделать вывод, что диапазон изменения Т при переходе через нулевую отметку влияет на изменение внутреннего состояния массива коры и развитие процесса его разрушения при роторной окорке.

Таким образом, разработанная математическая модель позволяет исследовать механизм процесса разрушения массива коры при отрицательных температурах окружающей среды. Учет глубины деформируемого массива позволил дифференцированно подойти к оценке сопротивления разрушающей нагрузки каждого отдельного слоя коры, обладающего различной влажностью, прочностью, пористостью и способностью накапливать и удерживать лед.

Поскольку толщина коры определяется диаметром бревна, механизм разрушения слоев массива зависит от данного фактора и заслуживает более детального внимания.

Рис. 8. Характер изменения силы при переходе через Т=0оС:

1 – осина; 2 ‑ береза

Влияние диаметра бревна на развитие механизма роторной окорки. Анализ регрессионных известных зависимостей позволил получить связь между hк и dб для различных пород. Очевидно, что чем толще кора древесины, тем сложнее развитие механизма силового воздействия на нее короснимателя. Геометрические параметры dб и hк бревна предопределяют достижение необходимой удельной силы окорки . Помимо силовых факторов, необходимо учесть влияние диаметра бревна на кинематические параметры окорки. Толстые бревна рекомендовано окаривать на меньших скоростях подачи uп, снижая при необходимости частоту вращения ротора и увеличивая угол окорки. Это связано с тем, что при входе толстых бревен на больших скоростях наблюдаются динамические явления, приводящие к деформациям короснимателей и износу подшипников ротора.

Кора 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 бревна и, соответственно, толщина коры, тем более сложным является процесс ее разрушения.

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. В этой связи, разработанная математическая модель роторной окорки расширяет методическую базу исследования влияния диаметра бревна и толщины коры на достижение заданных технических показателей.

С целью оптимизации режимов окорки целесообразно сортировать бревна по диаметру 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 значения uп при постоянной силе F1. Отмеченные обстоятельства диктуют необходимость оценки такого параметра как сбежистость бревна Сб и его влияния на установление допустимых диапазонов вариаций силовых и кинематических параметров окорки. Таким образом, актуальной является задача дополнения положений разработанной математической модели расчета параметров окорки учетом диаметра бревна и его возможных вариаций.

Расчеты выполнены для условий окорки влажных бревен в зимних условиях (T≤0оС). На рис. 9 представлены зависимости критерия разрушения коры S от диаметра dб, м. Графики соответствуют следующим значениям 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 (8) выполняется для бревен диаметром до 0,45 м, для осины – до 0,35 м. Удельная сила окорки при этом составляет соответственно 16,42 и 17,21 кН/м. При больших значениях dб необходимо корректировать параметры окорки с целью выполнения условия (8).

В табл. 1 представлены результаты расчетов качественной окорки бревен сосны различного диаметра. Выполнение условия (8) достигалось путем изменения трех параметров ‑ uп, F1, Kп при постоянстве остальных.

Поскольку с увеличением диаметра бревна растет и толщина коры, наряду с удельной силой окорки представлен еще один интегральный показатель ‑ величина удельной работы Ак, равная отношению силы окорки Fс к объему Vк разрушенной коры. По данным проф. этот показатель более точно отражает удельные затраты окорки.

Существующие методы расчета параметров окорки и разработанная модель исходят из условия того, что диаметр dб задан и является постоянной величиной. Однако на практике величина dб по длине ствола Lк является величиной переменной и это необходимо учитывать в практических расчетах и прогнозах показателей окорки. Разработанная модель позволяет оценить влияние такого показателя как сбежистость бревна Сб на вариации параметров процесса окорки. Для этого была решена следующая вариационная задача.

Таблица 1. Показатели окорки бревен сосны различного диаметра

dб,м	hк,м	Kп	F1, Н	,кН/м	Ак, МПа/м
0,20	0,003	1	730	10,77	2,56
0,30	0,007	1	1000	13,17	1,32
0,45	0,017	2	730	16,42	0,63
0,50	0,021	2	900	19,37	0,59
0,55	0,026	2	1000	21,07	0,50
0,60	0,031	2	1080	22,28	0,43

Рис. 9. Влияние диаметра бревна на выполнение критерия качественной окорки:

1 – сосна; 2 ‑ осина

При постоянной величине Lк, задавшись различными значениями наибольших диаметров комля dк и вершины dв, сбежистость Сб определялась в процентах. Далее, в диапазоне допустимых значений диаметров бревна (dк, 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. 10 для условий окорки сосны представлены результаты имитационного моделирования применительно к оценке вариации силовых характеристик (X1= F1, X2 =).

Полученные результаты позволяют, в частности, задавшись фактической величиной сбега, установить допустимые диапазоны отклонений силовых параметров от своих математических ожиданий. Так, при сбеге Сб = 10% и M() = 19,37 кН/м, среднее квадратичное отклонение σ() составило:

кН/м,

т. е. допустимый диапазон вариации удельной силы равен:

или =17,95‑20,79 кН/м. (12)

Рис. 10. Влияние сбега на вариации силовых параметров

Выдерживая силовой диапазон (12), обеспечивается возможность стабилизации процесса качественной окорки бревна с учетом его фактического сбега. Таким образом, разработанная математическая модель позволяет определить как оптимальные параметры окорки различных лесоматериалов, так и оценить диапазон их допустимых значений в зависимости от диаметра бревна и величины его сбега. Однако при этом характеристики свойств коры принимались постоянными, что потребовало дальнейшего совершенствования расчетной модели по пути более полного учета вариаций параметров окорки.

Вариационный метод расчета и стабилизации параметров роторной окорки древесины. Разработанные выше методические основы расчета параметров окорки исходили в основном из принципа детерминированности, т. е. из условия постоянства значений факторов влияния и параметров управления процессом окорки, тогда как эти величины в общем случае являются переменными и варьируются в достаточно широких пределах.

Так, на основании обработки известных опытных данных физико-механических свойств сухой коры, в табл. 2 представлены в соответствующих масштабных единицах (м. е.) значения математических ожиданий (М), средних квадратичных отклонений (σ) и коэффициентов вариаций (v, %) плотности коры ρk (м. е.- кг/м3), пределов прочности на сжатие σсж и разрыв σр (м. е.- МПа) для трех пород древесины. С повышением влажности вариация свойств коры будет возрастать.

Из анализа данных табл. 2 следует, что максимальная вариация свойств наблюдается у менее плотной коры сосны по сравнению с аналогичными характеристиками более плотной коры осины и березы. Таким образом, данные табл. 2 свидетельствуют о том, что процесс разрушения коры древесины является в общем случае не детерминированным, а вариационным (стохастическим) и характеризуется вариацией физико-механических свойств с учетом возможных вариаций состояния влажности коры. Это обусловливает необходимость выдерживать основные параметры управления процессом в определенных диапазонах значений, обеспечивающих стабилизацию заданных показателей окорки.

Таблица 2. Статистические показатели свойств коры

Порода древесины	Статистические характеристики показателей свойств коры
Плотность сухой коры, ρk	Предел прочности на сжатие, σсж	Предел прочности на разрыв, σр
М	σ	v	М	σ	v	М	σ	v
Сосна	370,5	74,5	20,1	6,2	1,7	27,4	1,5	0,5	33,3
Осина	608,0	67,0	11,0	13,3	4,1	30,6	11,0	1,1	9,6
Береза	770,0	57,5	7,5	19,2	3,5	18,2	2,3	0,3	11,1

Принимая во внимание, что технологически наиболее вариативным является силовой параметр – сила прижима F1, а угловой и кинематический параметры целесообразно выдерживать стабильными при окорке бревен в условиях заданной температуры Т, была принята схема моделирования (рис. 11), в соответствии с которой реализуется следующий алгоритм: