На правах рукописи

ИЛЬЮШЕНКО Дмитрий Александрович

РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА БРИКЕТОВ ИЗ ОТХОДОВ ОКОРКИ

05.21.01 – Технология и машины лесозаготовок и лесного хозяйства

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Санкт-Петербург – 2012 2

Работа выполнена в Санкт-Петербургском государственном лесотехническом университете имени С.М. Кирова

Научный руководитель – доктор технических наук, профессор Григорьев Игорь Владиславович

Официальные оппоненты – доктор технических наук, профессор Минаев Александр Николаевич кандидат технических наук, доцент Цыгарова Марина Валентиновна

Ведущая организация – федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Петрозаводский государственный университет»

Защита диссертации состоится « 29 » марта 2012 г. в 14 часов на заседании диссертационного Совета Д.212.220.03 при Санкт-Петербургском государственном лесотехническом университете имени С.М. Кирова.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке СПбГЛТУ.

Автореферат разослан « 28 » февраля 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного Совета, проф. А.Р. Бирман

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Решение задачи комплексного использования лесных ресурсов предполагает широкое вовлечение в переработку всех видов отходов лесозаготовительного производства, в том числе древесной коры. При современном состоянии окорки древесины в лесной и целлюлознобумажной промышленности нашей страны ресурсы коры, пригодной для использования, составляют свыше 6 млн. м3 в год. Однако доля её использования в промышленности на настоящий момент незначительна.

Одним из основных способов утилизации отходов деревоперерабатывающей промышленности является их энергетическое использование. Известно, что с целью рационального использования древесного сырья можно применять брикетирование. Брикеты из древесных отходов могут быть использованы в качестве бытового и промышленного топлива, организация производства брикетов является потенциальным источником прибыли для лесопромышленного предприятия. Но при этом процесс производства топливных брикетов из древесной коры изучен недостаточно.

Опыт различных областей промышленности показывает, что эффективным способом уплотнения сыпучих материалов является применение воздействий динамического, в частности, ударного, характера. Процесс уплотнения измельченной древесной коры при ударном воздействии в научной литературе не освещен, что делает невозможным подобрать параметры работы и разработать рациональные конструкции установок для уплотнения древесной коры с применением ударных нагрузок. Таким образом, исследование процесса уплотнения древесной коры и разработка технологии производства из нее брикетов, является актуальной задачей.

Диссертационные исследования выполнялись в рамках Перечня Приоритетных направлений развития науки, технологий и техники в Российской Федерации, утвержденного Президентом РФ 21 мая 2006 г. Пр- (пункт «Рациональное природопользование»).

Часть результатов работы получена в рамках 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.

Цель работы. Разработка технологии производства брикетов из древесной коры под действием нагрузки ударного характера.

Объектом исследований является уплотняемая в брикеты древесная кора, размещенная в закрытых матрицах прессов с ударной нагрузкой.

Предметом исследований являются процесс уплотнения древесной коры, режимы работы и конструктивные параметры прессового оборудования.

Научная новизна. Построенная математическая модель процесса уплотнения объема древесной коры под действием ударной нагрузки, учитывающая нелинейный характер сопротивления обрабатываемого материала уплотнению, развивает теорию уплотнения древесных материалов и позволяет определить рациональные режимы работы прессового оборудования при регулировании величины плотности вырабатываемых брикетов в соответствии с потребительскими требованиями, предъявляемыми к конечной продукции.

Значимость для теории и практики. Разработанная математическая модель процесса брикетирования древесной коры развивает теорию уплотнения измельченных древесных материалов. Результаты работы позволяют расширить объем перерабатываемых отходов окорки, обосновать рациональные параметры технологического процесса, дают возможность совершенствовать конструкторские решения при проектировании прессового оборудования. Разработанная опытная установка позволяет с достаточной точностью получать данные, характеризующие процесс уплотнения древесной коры под действием нагрузки ударного характера.

Результаты работы могут быть рекомендованы к использованию производственными, проектными, научно-исследовательскими и учебными организациями лесной отрасли.

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 международных научнопрактических конференциях: «Пути и опыт модернизации оборудования лесопромышленного комплекса», СПб, 2010, «Совершенствование и повышение надежности оборудования предприятий целлюлозно-бумажной и лесоперерабатывающей промышленности», СПб, 2011, «Леса России в XXI веке», СПб, 2010; а также на научно – технических конференциях лесоинженерного факультета Санкт-Петербургской государственной лесотехнической академии имени С.М. Кирова в 2010-2011 гг.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Математическая модель процесса уплотнения объема древесной коры, устанавливающая зависимость степени уплотнения обрабатываемого материала от величины ударной нагрузки (импульса) и раскрывающая нелинейный характер сопротивления среды деформированию.

2. Установленные на основе реализации математической модели соотношения, определяющие параметры импульсно-силового воздействия на обрабатываемый материал, требуемые для формирования брикета с заданной плотностью при регулируемых геометрических параметрах брикета.

3. Результаты лабораторных испытаний прочностных свойств брикетов из древесной коры, подтверждающие возможность их изготовления под действием ударной нагрузки.

Публикации. Материалы диссертации опубликованы в восьми печатных работах, включая две статьи в журналах, рекомендованных ВАК РФ для публикации материалов кандидатских и докторских диссертаций, и один патент на полезную модель. Результаты исследований отражены в научно-технических отчетах по НИР.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, основных выводов и рекомендаций, списка литературы. Общий объем работы 135 с. Диссертационная работа содержит 30 рисунков, 33 таблицы.

Список литературы содержит 98 источников.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении сформулирована актуальность темы диссертационной работы, определена цель исследований, изложены научная новизна и практическая ценность работы, сформулированы основные положения, выносимые на защиту.

Рассмотрено состояние вопроса, включая объем отходов окорки и способы их использования, физико-механические свойства древесной коры и их влияние на процесс производства брикетов, существующее оборудование для производства топливных брикетов из отходов деревопереработки, известные подходы к описанию напряженно-деформированного состояния среды под воздействием ударной нагрузки. Проведен анализ исследований по указанным вопросам.

Вопросами уплотнения цельной и измельченной древесины занимались многие ученые, среди них: С.М. Базаров, А.Р. Бирман, Н.А. Модин, В.И. Огарков, В.И. Патякин, В.В. Сергеевичев, П.Н. Хухрянский, В.А. Шамаев и др. Большой вклад в исследование напряженно-деформированного состояния цельной древесины при действии динамических нагрузок внесли отечественные ученые Е.К. Ашкенази, В.А. Баженов, Ф.П. Белянкин, Б.М.

Буглай, В.Н. Быковский, В.В. Памфилов, П.Н. Хухрянский, В.Ф. Яценко и др.

Анализ работ показал, что к настоящему времени, несмотря на значительный объем выполненных исследований, технология производства брикетов из отходов окорки на прессовом оборудовании ударного типа еще не разработана. На основании анализа состояния вопроса сформулированы выводы и следующие задачи, которые необходимо решить для достижения поставленной цели:

• Провести теоретические исследования процесса формирования брикета из древесной коры под действием ударной нагрузки.

• Разработать математическую модель напряженно-деформированного состояния древесной коры под действием ударной нагрузки.

• Разработать опытную установку для проведения исследований процесса формирования брикета из древесной коры под действием ударной нагрузки.

• Провести экспериментальные исследования процесса формирования брикета из древесной коры при воздействии ударной нагрузки.

• Разработать рекомендации по выбору основных параметров работы прессового оборудования для формирования брикета из древесной коры под действием ударной нагрузки.

• Дать рекомендации по организации опытно-промышленного участка по производству брикетов из древесной коры с применением прессового оборудования ударного типа.

• Оценить экономическую эффективность организации производства брикетов из древесной коры.

2. Теоретические исследования процесса уплотнения древесной коры Постановка задачи. Для описания процесса уплотнения материала использована модель, представленную на рис. 1. В этой модели степень уплотнения (изменение объема) характеризуется перемещением пуансона 1, представляющего собой абсолютно твердое недеформируемое тело цилиндрической формы, в матрице 2 в результате падения на него груза массой m.

1 – пуансон, 2 – матрица с обрабатываемым материалом; а) – система в исходном состоянии, б) – система после приложения статической нагрузки Pст, в) система после приложения ударной нагрузки Усилие сопротивления F перемещению пуансона в матрице нелинейно зависит от величины перемещения y. Закон изменения силы сопротивления перемещению F(y) от величины указанного перемещения соответствует экспериментально установленной зависимости степени уплотнения от значения статического усилия прессования.

В соответствии с описанной схемой процесса уплотнения считается, что до удара пуансон под действием статической силы Pст уже переместился в матрице на величину y0. Это состояние считается исходным при последующем рассмотрении действия удара (рис. 1, а).

Значение y0 определяется из равенства:

Движение тел 1 и 2 после удара описывается абсолютными координатами y1 и y2 соответственно, начало которых совмещено с нижними торцами каждого из тел в положении равновесия (после приложения статической нагрузки), а направление совпадает с направлением усилия уплотнения (рис.

1, б).

Поскольку жесткость обрабатываемого материала пренебрежимо мала по сравнению с жесткостью материала прессформы и основания, на котором она размещена, справедливо тождество y2 0.

Дифференциальное уравнение движения системы после первого удара записывается в виде:

где y1 – перемещение пуансона после первого удара (верхний индекс в скобках соответствует номеру удара), F (y0 ) + F (y1(1) ) – суммарное усилие сопротивления уплотнению.

С учетом (1) уравнение (2) принимает вид:

Перемещение пуансона в матрице после i-го удара найдется из следующего уравнения:

где i = 2,3,..., Y1(i ) i последовательными ударами.

При этом начальные условия имеют вид:

где V0(i) – начальная скорость пуансона, вызванная i-м ударом.

С учетом результатов исследований, проводившихся учеными СПбГЛТУ, зависимость давления прессования от относительной деформации материала брикета можно представить в следующем виде:

где b, c – некоторые коэффициенты, где p – давление прессования, – относительная деформация материала брикета. Проведение расчетов также для случая уплотнения опилок объясняется тем, что опилки могут являться добавкой в сырье для производства корьевых брикетов.

Интересующая зависимость усилия сопротивления среды перемещению пуансона (и, таким образом, уплотнению) в общем виде может быть записана следующим образом:

брикета в матрице до приложения нагрузки, h – изменение высоты брикета в матрице (перемещение пуансона) после приложения нагрузки. Значения коэффициентов A, B и C при dбр = 50 мм и mбр = 100, 150, 200 г приведены в табл. 1.

Таблица Древесные опилки С использованием уравнения (9), уравнение (4) примет вид:

где y(t) – текущая координата нижнего торца пуансона. При этом общий интеграл уравнения (10):

где С1, C2 – постоянные интегрирования.

Из выражения (11) после однократного дифференцирования по переменной t определится также и скорость пуансона:

нению с высотой падения груза, можно принять = 0. В этом случае наПринимая во внимание то, что перемещение пуансона мало по сравчальные условия:

С учетом начальных условий (13) из уравнений (11), (12) определятся постоянные интегрирования:

Время T, за которое пуансон переместится на максимальную величину (время удара), определится из условия Выражение (20) может быть равно нулю при выполнении одного из следующих условий:

При этом постоянная C1, очевидно, отлична от нуля; таким образом, время удара найдется из условия б):

ния максимального суммарного перемещения пуансона после i-го удара:

бр использовано следующее соотношение:

теор Для определения максимальной теоретической плотности брикета 50 кг представлены на рис. 2, где бр - плотность брикета до нанесения удаРезультаты расчетов для случая уплотнения коры при массе груза m = ра. Скорость груза V0 при начале контакта с пуансоном равна 8 м/с. Графики на рисунках показывают, что при прессовании коры брикет с плотностью 900-1000 кг/м3, формируется за 3 удара.

Рис. 2. Плотность брикета из коры в зависимости от числа ударов Фазовый портрет процесса уплотнения коры приведен на рис. 3. С увеличением числа наносимых ударов приращение перемещения пуансона в матрице после текущего удара монотонно уменьшается, асимптотически стремясь к нулю.

Рис. 3. Фазовый портрет процесса уплотнения коры 3. Методика экспериментальных исследований Экспериментальные исследования проводились в лаборатории кафедры Технологии лесозаготовительных производств СПбГЛТУ им. С.М. Кирова и Ломоносовском ДПЗ.

При проведении исследований по определению влияния величины ударной нагрузки на плотность получаемого брикета контролируемыми независимыми параметрами являлись: внутренний диаметр прессформы, порода древесины, опилки и кора которой использовались при проведении исследований, влажность и температура экспериментального материала, его фракционный состав. Управляемые независимые параметры: импульс приложенной внешней нагрузки, начальная плотность обрабатываемой среды, масса обрабатываемой среды. Выходные параметры: плотность полученных брикетов.

Для проведения исследований процесса формирования брикета под действием ударной нагрузки использовалась экспериментальная установка кафедры Технологии лесозаготовительных производств со спроектированной дополнительной оснасткой.

Основные уровни факторов и интервалы их варьирования представлены в табл. 2.

Таблица Начальная материала Величина импульса Масса маг териала Образцы для проведения экспериментов по определению прочности брикетов из древесной коры были получены на экспериментальной установке. Для определения предела прочности при сжатии применялась испытательная машина ИМ-5. Испытывались образцы цилиндрической формы с диаметром 50 мм. Подсчет результатов испытаний по определению пресж дельного напряжения сжатия производился по формуле где Pсж max – наибольшее усилие сжатия, Pсдв max – наибольшее усилие сдвига, d – диаметр образца.

Обработка результатов экспериментальных исследований проводилась с использованием программы MS Excel.

4. Результаты экспериментальных исследований Эксперименты были проведены, исходя из методики проведения экспериментов по формированию брикета из древесной коры и определению его прочности при сжатии и сдвиге, данной в главе 3.

В соответствии с методикой обработки экспериментальных данных был проведен регрессионный анализ предложенной модели в виде уравнения второй степени:

где – плотность брикета, x1 — начальная плотность 0, г/см3; x2 — величина внешнего импульса P, кг*м/с; x3 — масса обрабатываемой среды m, г.

Коэффициенты уравнения регрессии при относительных переменных для древесной коры и опилок приведены в табл. 3.

Таблица Значения коэффициентов уравнения регрессии По результатам проверки коэффициенты b6, b8, b9 оказались незначимыми.

Проверка однородности дисперсий и воспроизводимости опытов проводилась по критерию Кохрена. Расчетные значения критерия Gp оказались меньше табличных (GT):

опилки Gp = 0,1242; GT = 0,3400 => Gp < GT;

Следовательно, опыты воспроизводимы, имеет место однородность дисперсий. Проверка адекватности регрессионной модели осуществлялась с помощью F-распределения. Полученные значения для коры Fp = 0,0827 и для опилок Fp = 0,0616 оказались меньше табличного значения Fp = 0,2. Это позволяет сделать вывод, что гипотеза об адекватности принимается и математическая модель может быть использована для описания процесса уплотнения.

Таким образом, квадратичная регрессионная модель достаточно точно описывает процесс формирования древесного брикета под действием ударной нагрузки при соблюдении тех же условий и параметров, при которых проводились представленные в работе эксперименты.

Уравнение регрессии, описывающее процесс уплотнения, в натуральных переменных примет вид:

= 396,756470 0,0665860 + 0,672258 + 0, для опилок:

= 685,492510 0,6342200 + 0,672195 + 0, брикета 200 г и начальной плотности материала брикета 0 = Графики на рис. 4 построены с помощью уравнения (23) при массе 900 кг/м3.

Рис. 4. Зависимость плотности брикета от величины импульса (кора) Из графиков на рис. 4 видно, что экспериментально определенное значение плотности брикета ниже значения, полученного по (19), (20). Отличие составляет до 7 %. Указанное отличие может быть объяснено демпфирующим эффектом удаляемого из материала брикета воздуха, а также частичным упругим восстановлением материала брикета после снятия нагрузки. Изучение данных явлений должно явиться предметом последующих исследований.

Предел прочности корьевого брикета при сдвиге (МПа) в зависимости от плотности брикета можно выразить зависимостью в виде уравнения второй степени:

Предел прочности при сжатии (МПа) в зависимости от плотности брикета также выражается зависимостью в виде уравнения второй степени:

Максимальное значение предела прочности при сжатии составило 3,05 МПа, при сдвиге – 2,60 МПа (плотность брикетов составляет 1,1 г/см3).

Зависимости (25), (26) иллюстрируются графиком на рис. 5, 6.

Рис. 5. Предел прочности брикетов при Рис. 6. Предел прочности брикетов при В технологической части диссертации разработан опытнопромышленный участок для производства топливных брикетов с производительностью 500 кг/час, определена стоимость основного оборудования, обеспечивающего необходимую производительность. Определена валовая прибыль (960000 руб/месяц) и основные расходы (537600 руб/месяц) при производстве 192 т брикетов в месяц. Рентабельность производства, таким образом, составит 44 %.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ:

Результаты проведенных теоретических и экспериментальных исследований позволяют сделать следующие выводы:

1. Существующее оборудование и технологии не решают задачу утилизации отходов окорки лесопромышленных предприятий. Организация производства брикетов из отходов окорки на прессовом оборудовании ударного типа представляется целесообразной. Актуальными являются исследования напряженно-деформированного состояния древесной коры под действием ударной нагрузки, а также разработка рекомендаций по режимам работы прессового оборудования ударного типа.

2. На основе реализации математической модели процесса уплотнения объема древесной коры в закрытой матрице по действием ударной нагрузки доказано, что зависимость плотности получаемого брикета от величины импульса носит нелинейный характер, что отражают формулы (19), (20).

3. Фазовый портрет процесса (рис. 3) показывает, что после 4-х нанесенных ударов (при принятых геометрических параметрах брикета и параметрах нагружения) материал брикета достигает плотности 1100-1200 кг/м3, далее заметного увеличения плотности материала брикета не наблюдается.

Установлена зависимость (формула 18), определяющая время удара в зависимости от массы и начальной скорости груза.

4. Максимальная плотность брикетов, определенная экспериментально, при однократном приложении нагрузки 600 кг*м/с составляет 951, кг/м3 для коры и 937,5 кг/м3 для опилок при внутреннем диаметре прессформы 50 мм массе материала брикета 200 г, что отличается от теоретически определенного значения на 4,4 % и 3,2 % соответственно. Максимальное отклонение экспериментальных данных от теоретических составляет для коры 6 % и 7 % для опилок. Таким образом, экспериментальные данные подтверждают результаты теоретических исследований о влиянии величины импульсной нагрузки на плотность получаемых брикетов, которая с достаточной для практических расчетов точностью определяется уравнениями регрессии (23), (24).

5. Предел прочности корьевых брикетов при сжатии является функцией плотности брикетов и может быть определен по уравнению (26). Максимальное экспериментально установленное значение предела прочности при сжатии составляет 2,89 МПа для брикетов плотностью 1100 г/см3.

6. Предел прочности брикетов при сдвиге является функцией плотности брикетов и может быть определен по уравнениям (25). Максимальное экспериментально установленное значение предела прочности при сдвиге составляет 2,50 МПа при плотности брикетов 1100 кг/м3.

7. В качестве привода пресса ударного типа рекомендуется пневматический вибровозбудитель. Проведенные исследования позволяют рекомендовать выполнить пресс на базе пневматического молота с энергией удара 0,6 кДж (импульс 600 кг*м/с). Участок по производству брикетов из отходов окорки должен включать в себя бункер для сбора отходов, измельчитель отходов, сушильное устройство, транспортер для перемещения сырья из бункера в дозатор, дозатор, пресс, емкость для сбора готовых брикетов и стол для упаковки готовой продукции.

8. Организация производства брикетов из отходов окорки является экономически целесообразной, рентабельность такого производства составит при принятой производительности 44 %. Примерная стоимость линии по производству брикетов из отходов окорки производительность 500 кг/час в рекомендованной комплектации составляет 1500000 руб. в ценах 2011 года.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1. Патякин В. И., Ильюшенко Д.А., Костин И.В. Некоторые проблемы использования древесной коры в промышленности//Системы.

Методы. Технологии. Братск: БГТУ, 2011 г., С. 121- 2. Григорьев И.В., Шапиро В.Я., Газизов А.М., Гумерова О.М., Ильюшенко Д.А. Влияние диаметра и сбега бревен на процесс механической окорки// Известия СПбГЛТА. 2011. № 194, С. 220Газизов А.М., Гумерова О.М., Григорьев И.В., 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. 42-49.

4. Газизов А.М., Григорьев И.В., Ильюшенко Д.А. Влияние строения и состояния коры на параметры процесса селективной окорки// Материалы международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы развития лесного комплекса». Вологда: ВоГТУ, 2009.

5. Газизов А.М., Гумерова О.М., Ильюшенко Д.А. Пути повышения качества окорки лесоматериалов// Материалы Международной научнопрактической конференции «Современные проблемы лесозаготовительных производств, производства материалов и изделий из древесины: пиломатериалы, фанера, деревянные дома, заводского изготовления, столярно-строительные изделия».СПб.: НП «НЦО МТД», 2009.

Том. 2. С.179- 6. Ильюшенко Д.А. Пути повышения качества механической окорки круглых лесоматериалов// Политехнический симпозиум «молодые ученые – промышленности Северо-Западного региона». Материалы конференции «Экспериментальные и теоретические исследования в области инженерных наук» СПб.: ГПУ 2008 г. С. 77-78.

7. А.М. Газизов, О.М. Гумерова, 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. 74-78.

8. И.В., Григорьев, А.М. Газизов, О.М. Гумерова, Ильюшенко Д.А. Статистические характеристики толщин слоев коры на пиловочных бревнах// Материалы международной научно-практической Интернет конференции «Леса России в XXI веке» СПб.: ЛТА, 2009 г. С. 32-36.

Просим принять участие в работе диссертационного Совета Д.212.220.03 или прислать Ваш отзыв на автореферат в двух экземплярах с заверенными подписями по адресу: 194021, Санкт-Петербург, Институтский пер. д. 5.