исследования процессов групповой окорки древесины

Министерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное государственное бюджетное образовательное
учреждение высшего профессионального образования
ПЕТРОЗАВОДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
А. С. Васильев
Проблемно-ориентированные
исследования процессов
групповой окорки древесины
Монография
Петрозаводск
Издательство ПетрГУ
2012
УДК 674.023.1
ББК 37.132.01
В191
Издается при финансовой поддержке
Программы стратегического развития ПетрГУ на 2012—2016 гг.
Р е ц е н з е н т:
профессор, доктор технических наук Шегельман И. Р.
В191
Васильев, А. С.
Проблемно-ориентированные исследования процессов групповой окорки древесины : монография / А. С. Васильев. — Петрозаводск : Изд-во ПетрГУ, 2012. — 84 с.
ISBN 978-5-8021-1482-7
В монографии представлены результаты научно-прикладных
проблемно-ориентированных исследований в области совершенствования техники и технологии для групповой окорки древесины. Рассмотрены древесина как предмет труда при окорке, известные способы окорки и технологии их реализации, существующие конструкции
окорочных механизмов. Проведен поиск направлений совершенствования процесса групповой окорки лесоматериалов с использованием
окорочных барабанов.
УДК 674.023.1
ББК 37.132.01
ISBN 978-5-8021-1482-7
© Васильев А. С., 2012
© Петрозаводский государственный
университет, 2012
Содержание
Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1. Древесина в коре как предмет труда при окорке . . . . . . . . . . 5
1.1. Строение древесного ствола . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.2. Относительный объем коры в стволе дерева . . . . . . . . . . 10
1.3. Физико-механические свойства коры . . . . . . . . . . . . . . 13
2. Окорка лесоматериалов. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.1. Виды окорки . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.2. Способы окорки . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
2.3. Окорочное оборудование . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
3. Окорочные барабаны . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
3.1. Технология групповой барабанной окорки . . . . . . . . .
3.2. Поиск и обоснование технических решений,
повышающих эффективность режимов
групповой окорки древесного сырья . . . . . . . . . . . . .
3.3. Теоретический анализ перемещения древесины
в окорочном барабане . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.4. Теория ударного взаимодействия древесины при окорке
3.5. Функционально-технологический анализ
окорочных барабанов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.6. Расчет эффективного режима работы
окорочного барабана . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . 39
. . 50
. . 52
. . 59
. . 64
. . 68
Заключение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
Список использованных источников . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
Введение
Кора по своему строению, химическому составу и физико-механическим свойствам существенно отличается от древесины [64], поэтому в большинстве деревообрабатывающих производств переработка древесины начинается с ее окорки — процесса удаления коры.
Благодаря окорке улучшается качество продукции целлюлознобумажных, плитных, гидролизных и других производств; более полно
используются отходы лесопиления, первичной обработки; увеличивается производительность лесопильного и лущильного оборудования, повышается качество пилопродукции из-за уменьшения интенсивности затупления инструмента [10]. Окорка также способствует
лучшей просушке лесоматериалов для их предохранения от гниения,
поражения насекомыми, снижения массы. При этом окорка является
наиболее дорогостоящей операцией в подготовке древесного сырья
к глубокой переработке древесины [43].
Основным показателем качества окорки является процентное отношение площади окоренной поверхности к общей площади коры до окорки. Для измельченной древесины применяется показатель засоренности
корой, равный процентному содержанию коры в общей массе древесины.
Оборудование для групповой окорки древесного сырья должно
удовлетворять следующим требованиям: осуществлять окорку лесоматериалов с заданной степенью чистоты при наименьших потерях древесины; окорять сырье различного гидротермического состояния — сухое, влажное, мерзлое; обрабатывать лесоматериалы различной формы
и размеров с кривизной, остатками сучьев и закомелистостью [47], [62].
Благодаря высокой производительности, хорошему качеству окорки, незначительным отходам древесины, наименьшим трудовым
и материальным затратам среди всего существующего оборудования
на крупных лесоперерабатывающих предприятиях для окорки древесины широко используется метод групповой окорки, осуществляемой
в окорочных барабанах.
В монографии представлены результаты научно-прикладных проблемно-ориентированных исследований в области совершенствования
техники и технологии для групповой окорки древесины. Рассмотрена
древесинакак предмета труда при окорке, известных способов окорки
и технологий их реализации, существующих конструкций окорочных
механизмов, поиску направлений совершенствования процесса групповой окорки лесоматериалов с использованием окорочных барабанов.
4
1. Древесина в коре
к ак предмет труда при окорк е
1.1. Строение древесного ствола
В словаре [68] дается два определения коры: 1. Кора — наружная
часть ствола (ветвей, сучьев) покрывающая древесину или отделенная от нее после окорки. 2. Комплекс тканей, образующихся из камбия (кнаружи от него), включает луб и корку.
Кора по своему строению, химическому составу и физико-механическим свойствам существенно отличается от древесины. Это различие обусловливается их разным анатомическим строением. Кора содержит значительно больше экстрактивных веществ, чем древесина.
Клетки тканей луба отличаются от клеток корки повышенным содержанием урановых кислот и пентозанов, отсутствием суберина, Оболочки клеток состоят из целлюлозы и гемицеллюлозы, не содержат
лигнина [35]. Целлюлозы в лубе в 1,5 раза меньше чем древесине [20].
Поэтому в большинстве деревообрабатывающих производств переработка древесины начинается с ее окорки — процесса удаления коры.
Кора представляет собой внешнюю оболочку древесины, которая
в поперечном срезе ствола (ветки, корня) имеет форму кольца (рис. 1.1).
Кора достаточно легко отличить от древесины по более темной окраске. При этом в коре различают наружный и внутренний слои. Причем
переход от одного слоя к другому может быть как резким, так и плавным в зависимости от породы дерева. Между внутренним слоем коры
и древесиной располагается еще один слой, называемый камбиальным слоем или камбием.
Наружный омертвевший слой коры слой коры называют коркой.
Его функция — защита древесины от внешних воздействий как механических, так и климатических. У хвойных пород (сосны, ели, лиственницы) рыхлая корка (рис. 1.2) при воздействии окоряющих органов легко разрушается и превращается в порошок и чешуйки. Корка
лиственных пород (осины и березы) имеет более прочную корковую
ткань и значительно утолщенный слой луба, что несколько затрудняет процесс окорки. При воздействии короснимателей кора березы
5
(береста) (рис. 1.3) отделяется поперечными полосами, что препятствует процессу окорки и измельчению коры [62]. В среднем доля корки составляет от 20 до 45 % от объема коры.
Рис. 1.1. Строение древесного ствола:
1 — корка; 2 — луб; 3 — камбий; 4 — заболонь древесины;
5 — спелая древесина; 6 — сердцевина
Рис. 1.2. Кора ели
6
Рис. 1.3. Кора березы
Внутренний слой коры — луб состоит из большого количества
фильтрующих трубок и обеспечивает движение по стволу дерева питательных веществ.
Химические составы луба и корки различны. По элементарному
химическому составу кора имеет следующие показатели по содержанию отдельных элементов: в корке 54,7 % углерода; 6,4 % водорода; 38,8 % кислорода; в лубе — соответственно, 53,3; 4,7 и 40,8 % [35].
В лубе содержится больше экстрактивных веществ, урановых кислот
и пентозанов, но меньше лигнина. В корке имеется ряд веществ, которых в лубе либо нет, либо их содержание ничтожно.
Камбий состоит из живых образовательных клеток дерева. Благодаря деятельности именно камбиальных клеток происходит рост
тканей древесины и луба, приводящий к увеличению диаметра древесного ствола и толщины слоя коры. Клетки камбиального слоя делятся непрерывно, поэтому они имеют более низкую механическую
прочность, чем клетки в других частях дерева. Камбий имеет высокое
содержание пектина. Пектиновые полимеры включают в себя галактуроновую кислоту, рамнозу, арабинозу и галактозу. Помимо пектина
камбий содержит гемицеллюлозу, целлюлозу и протеин.
Заболонь — это наружная светлоокрашенная физиологически активная зона древесины стволов и ветвей, примыкающие к образовательной ткани — камбию. Заболонь отличается от внутренней части
7
(ядра) более светлой окраской, меньшей механической прочностью;
более высокой влажностью, т. к. по ее клеткам перемещается влага
с растворенными в ней питательными веществами, легко загнивает,
менее стойка к поражениям грибами и насекомыми, чем ядро и спелая древесина, кроме того, вследствие значительной усушки усиливает коробление. В заболони откладывается наиболее важная в промышленном отношении смола — живица, которую добывают из сосен
подсечкой или разрезом коры с обнажением поверхности заболони.
Заболонь еще называют живой частью древесины [30].
Кроме живой, у древесины выделяют еще и мертвую часть — это
спелая древесина (или как ее еще называют ядро), обозначенная на
рисунке 1.1 позицией 5. У хвойных пород стенки клеток ядра пропитаны смолою. Движения влаги по клеткам ядра нет, поэтому древесина ядровой части ствола обладает большей прочностью и стойкостью
к загниванию, чем заболонная часть древесины.
Сердцевина, на рисунке 1.1 обозначена позицией 6, — это узкая
центральная часть ствола, состоящая из рыхлой первичной ткани
[68], которая имеет малую прочность и легко загнивает. У всех деревьев в раннем возрасте древесина состоит только из заболони и лишь
спустя определенное время, происходит отмирание центральной части древесины. При этом у одних деревьев происходит интенсивное
потемнение центральной части — образуется ядро. Такие породы называются ядровыми. Породы с однородной окраской древесины называются безъядровыми. К ядровым породам относятся лиственница, сосна (рис. 1.4), кедр. К безъядровым — ель (рис. 1.5) и пихта.
В деревообрабатывающем производстве основной целью является
использование древесины. Но для того чтобы ее использовать в полной
мере и для улучшения качества конечного продукта с поверхности лесоматериалов необходимо удалить кору, т. к. наличие коры на поверхности срубленного дерева приводит к ряду негативных последствий, например, к быстрому гниению древесины при хранении, повреждению
ее насекомыми и т. д. Кроме того, при распиловке дерева с неудаленной
корой происходит быстрое изнашивание режущего инструмента о кору
и находящиеся на ней абразивные частицы в виде песка и грязи, что
приводит к снижению качества производимой продукции. Поскольку
кора и древесина обладают различными физико-механическими и химическими свойствами, то в ряде случаев, например, при выработке
технологической щепы целлюлозно-бумажного назначения, существуют жесткие требования по засоренности щепы, изготавливаемой из
древесины, корой.
8
Рис. 1.4. Поперечный срез ствола сосны
Рис. 1.5. Поперечный срез ствола ели
Окорка является наиболее дорогостоящей операцией в подготовке древесного сырья к переработке. Для того чтобы оптимизировать
технико-экономические показатели работы древесно-подготовительного цеха, в котором и осуществляется окорка лесоматериалов,
необходимо грамотно подходить к выбору вида окорки, окорочного
оборудования и степени чистоты окорки.
9
1.2. Относительный объем коры
в стволе дерева
По данным Союзлеспрома, количество коры на стволах деревьев
различных пород в процентах к объему стволов составляет (при ступени толщин ствола от 8 до 64 см): для сосны — 11…17, ели — 11…16,
березы — 13…15, осины — 11…18, дуба — 16…23, лиственницы —
22…24, кедра — 11…16, пихты — 11…15 %. С учетом потерь коры
в процессе заготовки и транспортировки леса ресурсы ее только от
окорки всего пиловочного и балансового сырья составляют ежегодно
около 17 млн м3[35].
По данным Б. Н. Уголева [64] относительный объем коры в стволе
составляет: лиственница — 22…25 %, сосна — 10…16 %, ель — 6…13 %,
кедр — 6…10 %, пихта — 11…19 %, дуб — 14…21 %, бук — 7…11 %, береза — 13…15 %, осина — 11…20 %, липа — 12…16 %.
С увеличением возраста относительный объем коры снижается, а с ухудшением условий произрастания повышается. Доля коры
в объеме ствола понижается с увеличением диаметра ствола. Толщина
коры уменьшается по направлению от комля к вершине [64].
Известно, что толщина коры дерева, а, следовательно, и ее объем
относительно объема древесины ствола дерева, зависит от множества
факторов среди которых: порода древесины, состав почвы на которой
произрастает дерево, климатические условия, возраст дерева. Данные
по толщине коры, приведенные в работах [63], [64], и др., были установлены в древостоях европейской части России при сплошных рубках леса главного пользования.
В связи с этим были проведены исследования относительного
объема коры в стволе деревьев при рубках ухода в условиях Республики Карелия в сырьевой базе Петрозаводского лесхоза на площадях,
разрабатываемых ЗАО «ЛесМА» (квартал 55, выдел 6, категория защитности — лесополоса зеленой зоны) на основных лесообразующих
породах республики: ель, сосна, береза и осина. Средний возраст
деревьев составил — 115 лет, средняя высота — 22,5 м, средний диаметр на высоте 1,3 м от уровня земли — 28 см. Состав древостоя —
7Е1С1Б1Ос. Количество деревьев по породам ель — 13 361, сосна —
1 079, береза — 1 056, осина — 776. Главные породы на участке — ель
и сосна; второстепенные породы — береза и осина. Почва участка
10
суглинистая, рельеф всхолмленный. Площадь участка — 25,1 га. Размещение пород по площади участка равномерное. Вид рубок ухода —
постепенные. Установленная для данного участка интенсивность
рубки ухода — 25,5 % от исходного запаса, объем вырубаемой массы
по породам на 1 га: сосна — 7,3 м3; ель — 39 м3; береза — 9,6 м3; осина — 8,4 м3.
Валка деревьев и обрезка сучьев осуществлялись при помощи
бензиномоторных пил. Для опытов использовалась свежесрубленная древесина непосредственно после валки деревьев и очистки их
от сучьев.
Методика проведения экспериментальных исследований подробно описана в работе [12].
По результатам исследований установлена связь между диаметром
бревна и толщиной коры на соответствующем диаметре при рубках
ухода в древостоях Республики Карелия (рис. 1.6). Полученные уравнения, отражающие взаимосвязь между диаметром ствола в коре
(D, см) и толщиной коры (hк, мм) на соответствующем диаметре, представлены в таблице 1.1. Все регрессионные уравнения, приведенные
в таблице 1.1, значимы на 5 % уровне, т. к. вероятность нулевой гипотезы (P-level) значительно меньше 0,05. Эти уравнения справедливы
для диаметров бревен от 8 до 20 см включительно.
Рис. 1.6. Зависимость толщины коры от диаметра ствола
11
Таблица 1.1
Результаты регрессионного анализа
Порода
Уравнение
взаимосвязи
Коэффициент
детерминации
(R 2)
P-level
Ограничения
модели
Береза
hк = 0,0438 · D
0,994
0,0001
8 ≤ D ≥ 20
Осина
hк = 0,0415 · D
0,998
0,0001
8 ≤ D ≥ 20
Ель
hк = 0,0281 · D
0,997
0,0001
8 ≤ D ≥ 20
Сосна
hк = 0,0175 · D
0,993
0,0001
8 ≤ D ≥ 20
Доля коры в общем объеме биомассы стволов деревьев для четырех основных лесообразующих пород показана на рисунке 1.7. Исследование показало, что у лиственных пород (березы, осины) доля коры
составляет 16—18 %, что значительно больше, чем у хвойных (ель,
сосна) 10—11 %.
Рис. 1.7. Доля коры в общем объеме биомассы ствола дерева
12
Сравнивая полученные данные с данными профессора Б. Н. Уголева [64], полученными в древостоях европейской части страны для
сплошных рубок леса, видим, что в условиях Республики Карелия при
рубках ухода содержание коры в общей биомассе ствола дерева у хвойных пород несколько ниже (у ели на 1 %, у сосны на 1,3 %), а у лиственных пород выше (у березы на 2,2 %, у осины на 2,8 %).
1.3. Физико-механические свойства коры
Известно, что показатели процесса окорки напрямую зависят
от физико-механических свойств коры, которые меняются не только в зависимости от породы дерева, условий его произрастания, но
и в пределах одного дерева в зависимости от места нахождения ее на
стволе (комель, вершина). На качество окорки и величину отходов
древесины влияет прочность связей коры с древесиной, зависящая
от периода года и породы дерева, а также содержание влаги и температура ее замерзания в древесном стволе. При изменении температуры от 0 до минус 20 °С сопротивление скалыванию увеличивается
в 2…4 раза. Это дает возможность при соответствующей настройке
окоряющих органов в зимнее время отделять кору без больших отходов древесины особенно при окорке хвойных пород [62].
Механические свойства коры зависят от влажности и изменяются
в больших пределах. Так, при увеличении влажности коры сосны от
20 до 70 % временное сопротивление растяжению вдоль волокон снижается в 2,3 раза, поперек волокон в 6,7 раз, временное сопротивление
срезу поперек волокон в 2,1 раза, вдоль волокон в 3,8 раза. Для ели эти
показатели еще ниже, соответственно, в 2,0; 8,0; 2,7 и 4,0 раз [35].
Влажность коры и древесины, характеризующая способность коры
сопротивляться разрушению, активно влияет на показатели процесса окорки. С увеличением влажности все показатели процесса окорки
улучшаются.
По данным [29] состояние, пригодное для фрикционной окорки,
древесина приобретает, начиная с влажности коры 46 % и хорошо
окаривается при влажности 52 % и выше. Древесина с влажностью
коры ниже 46 % фрикционным способом не окаривается до тех пор,
пока не намокнет и не снизится механическая прочность связи коры
с древесиной.
13
По данным [11] потери древесины с повышением влажности лесоматериалов возрастают, что объяснено уменьшением предела прочности более влажной древесины. В связи с этим рекомендована подсортировка древесины по влажности на две группы: до 100 % и выше.
Известно, что показали процесса окорки древесины зависят от
многих факторов: диаметра, длины, влажности, прочности коры обрабатываемого сырья, а также от параметров и характеристик окорочного оборудования.
Рассмотрим влияние этих факторов на процесс окорки подробнее.
С увеличением диаметра бревен качество механической окорки
древесины ухудшается, но вместе с этим снижаются ее потери [10].
Сокращение потерь древесины обусловлено тем, что с увеличением диаметра полена площадь его боковой поверхности растет пропорционально диаметру, а объем пропорционально квадрату диаметра.
Поэтому потери древесины в процентном соотношении к объему полена сокращаются.
Влияние периода обработки и влажности коры на окорку обусловлено изменением ее прочности сцепления с древесиной.
Наиболее благоприятным для окорки является весенний период
вегетации, когда силы сцепления коры с древесиной резко уменьшаются. Как показывают исследования [29] при сухой окорке в барабанах
в весенний период по сравнению с летним периодом продолжительность окорки ели, березы и осины снижается соответственно в 16—30,
18—35, 13—27 раз. Снижение прочности сцепления коры с древесиной
при этом вызвано тем, что в период вегетации живые клетки камбиального слоя (луба) набухают, легко разрушаются и отслаиваются от
древесины.
В осенний и зимний периоды, когда сокодвижение прекращается
и вязкость находящихся в клетках питательных веществ увеличивается, происходит одревеснение клеточных оболочек камбия и увеличение силы сцепления коры с древесиной. Установлено, что эти силы
увеличиваются в десятки, а иногда и сотни раз [29]. В связи с увеличением продолжительности окорки в летне-осенний период, по сравнению
с весенним, потери древесины в окорочных барабанах возрастают для
ели, березы и осины соответственно в 1,6—2, 1,5—2,7 и 1,5 — 2,5 раза.
В зимний период при отрицательных температурах вследствие
промерзания коры и образования вокруг поленьев кристаллического
каркаса из льда все показатели процесса окорки лесоматериалов ухудшаются [63]. Продолжительность окорки ели при этом по данным [29]
14
увеличивается в 2, а потери древесины в 8 раз по сравнению с летнеосенним периодом.
Для интенсификации процесса окорки лесоматериалов в зимнее
время наряду с увлажнением осуществляют предварительное разрушение коры мерзлых бревен перед окоркой путем надрезания коры [33].
С целью объяснения разницы в показателях процесса окорки
в летний и зимний периоды времени нами проведены исследования
и получены аналитические зависимости, описывающие физическую
сущность процесса отделения коры от древесины при положительной и отрицательной температурах, представленные в разделе 3.3.
Установлено, что физическая сущность процесса окорки ударным
способом заключается в том, что при ударе происходит ослабление
силы сцепления коры с древесиной и с каждым ударом эта связь коры
и древесины ослабевает, ослабление связи происходит до тех пор, пока
не произойдет окончательная ее утрата, и вследствие чего, произойдет
отделение участка коры. При этом процесс отделения коры от древесины зависит от степени сопротивления элемента коры удару и находится в прямой зависимости от жесткости коры.
Процесс окорки представляет собой сложный процесс обработки
бревен, который сопровождается трением, ударами, деформациями
сдвига и перерезания волокон не только коры, но и частично древесины [10], [45], [47], [72], [73]. Для исследования физико-механических
характеристик коры: жесткости и прочность на скалывание по камбиальному слою была разработана экспериментальная установка
(рис. 1.8), позволяющая наносить акцентированные удары по бревну.
Эта установка представляет собой сварную раму размером 1 × 1 м, на
которой установлена ферма высотой 1,5 м. В верхней части фермы
смонтирована направляющая, установленная в вертикальной плоскости. По этой направляющей перемещается штанга, на торце которой
установлена ударная пята. На штанге также имеются специальные
крепления для установки дополнительных грузов.
При проведении эксперимента фиксировались и заносились в журнал наблюдений следующие параметры: порода древесины, диаметр
бревна, толщина коры, число нанесенных ударов, площадь отделившегося участка коры. Диаметр бревна определялся с точностью 0,5 см. При
этом использовалась мерная вилка, измерение толщины коры осуществлялось при помощи штангенциркуля с ценой деления 0,1 мм, площадь
пятна окорки переносилась на миллиметровую бумагу, а затем при помощи планиметра устанавливалось ее численное значение.
15
По результатам проведенных исследований были выявлены зависимости площади пятна окорки от ударного импульса и диаметра
бревна, что позволило установить численные значения таких физикомеханических свойств коры как условный предел прочности коры на
скалывание по камбиальному слою (табл. 1.2, рис. 1.9) и жесткость коры
(табл. 1.3) для основных лесообразующих пород республики Карелия.
Рис. 1.8. Экспериментальная установка
16
Таблица 1.2
Условный предел прочности коры на скалывание
по камбиальному слою, МПа
Ель
Сосна
Диаметр
ствола,
см
летом
зимой
летом
зимой
8
0,29
0,72
0,13
10
0,32
0,80
12
0,33
14
Осина
Береза
0,27
0,16
0,81
0,13
0,26
0,17
0,82
0,79
0,13
0,26
0,20
0,82
0,36
0,87
0,13
0,44
0,20
0,94
16
0,37
0,89
0,13
0,44
0,25
1,01
18
0,43
0,94
0,15
0,58
0,24
1,13
20
0,47
0,98
0,19
0,69
0,28
1,19
Рис. 1.9. Зависимость условного предела прочности коры на скалывание
по камбиальному слою от диаметра бревна
17
Таблица 1.3
Жесткость коры, МН/м
Диаметр
ствола,
см
летом
зимой
летом
зимой
8
1 128
2 539
182
10
1 144
2 930
118
12
1 069
2 969
14
1 039
3 054
16
1 009
18
Ель
Сосна
Осина
Береза
182
517
5 689
113
504
5 860
105
77
667
5 915
81
219
622
5 456
3 092
56
163
723
5 843
1 260
3 226
64
281
671
5 755
20
1 245
3 335
61
392
736
5 948
Среднее
значение
1 128
3 020
95
204
634
5 780
Из таблицы 1.2 и графика, приведенного на рисунке 1.9, видно, что
с увеличением диаметра ствола происходит увеличение силы сцепления коры с древесиной, а так же то, что зимой (при отрицательной
температуре) значительно увеличивается условный предел прочности
коры на скалывание по камбиальному слою по сравнению с летним
периодом.
Установленные значения жесткости коры (табл. 1.3) и условного предела прочности коры на скалывание по камбиальному слою
(табл. 1.2) являются важными характеристиками древесины в коре
как предмета труда при окорке, позволяющими оценить величину
требуемого механического усилия для отделения участка коры от древесины.
18
2. Окорк а л есоматериа лов
2.1. Виды окорки
В зависимости от степени удаления различных слоев коры различают три вида окорки лесоматериалов: грубую (рис. 2.1) чистую
(рис. 2.2), и частичную (рис. 2.3—2.6) [62].
Рис. 2.1. Грубая окорка
Рис. 2.2. Чистая окорка
Рис. 2.3. Частичная окорка продольными полосами
Рис. 2.4. Частичная окорка поперечными полосами
19
Рис. 2.5. Частичная окорка пятнами
Рис. 2.6. Частичная окорка с оставлением манжет
При грубой окорке лесоматериалов подлежат удалению только наружный слой коры — корка и частично или полностью луб [62].
При чистой окорке лесоматериалов удаляют корку и луб. Так как
между камбиальным слоем и древесиной нет ясно выраженной границы и клетки камбия постепенно переходят в клетки древесины, камбиальный слой можно удалить полностью только с поверхностным слоем
древесины. Поэтому в практике чистой считают окорку со снятием поверхностного слоя древесины минимально возможной толщины [62].
Чистой окорке подвергаются только те балансы, которые идут на выработку высококачественных растворимых целлюлоз, беленых целлюлоз
высокой белизны и целлюлозы для изоляционных бумаг. Наличие луба
на таких балансах допускается не более 5 % первоначального объема.
С балансов, идущих на выработку газетной бумаги, кора удаляется
полностью, но допускается содержание до 10…15 % луба [62].
При частичной окорке (пролыске) кора снимается с поверхности
лесоматериалов в виде отдельных полос или участков [62]. Частичная окорка лесоматериалов применяется для ускорения просушки
лесоматериалов и предохраняет от повреждения грибами. Этот вид
окорки нашел широкое применение для обработки лиственных пород и хвойного тонкомера. Частичная окорка может производиться
сплошными или поперечными полосами, пятнами, расположенными в шахматном порядке на поверхности лесоматериала. При сушке
оставшиеся поперечные полосы коры предохраняют лесоматериал от
глубоких продольных трещин [62].
20
2.2. Способы окорки
По степени использования ручного труда окорка делится на ручную и механизированную.
При ручной окорке отделение коры от древесины осуществляется
за счет использования физической силы человека; при механизированной — с помощью специальных механических устройств. Ручная
окорка требует больших физических усилий, кроме того, она малопроизводительна, поэтому на предприятиях лесопромышленного
комплекса преимущественное применение получила механизированная окорка.
По количеству обрабатываемого за один цикл сырья окорка делится на поштучную и групповую. Поштучная окорка может осуществляться ручным или механизированным способами. Достоинства
поштучной окорки ручным способом заключаются в возможности
осуществления высокой степени чистоты окорки и возможности
окорки лесоматериалов различных размеров и геометрической формы с разной степенью кривизны при минимальных потерях древесины. Недостаток — большая трудоемкость процесса при малой производительности.
Механизированная окорка в свою очередь подразделяется на механическую и с использованием физико-химических явлений, а также комбинированную, включающую использование механического
способа окорки в сочетании с воздействием физико-химических явлений. К ней относится окорка ударным, фрикционным, режущим,
струйным способами.
К окорке с использованием физико-химических явлений относятся: ультрозвуковая окорка, окорка СВЧ волнами, химическая окорка,
окорка электромагнитным полем, термическая окорка
При ударном способе окорки кора с древесины удаляется за счет
энергии удара. К данному способу окорки относится цепная окорка.
Достоинством данного способа является возможность окорки лесоматериалов большой кривизны, к недостаткам относится сильное повреждение деловой древесины и, как следствие, большие ее потери.
При фрикционном способе окорки кора с лесоматериалов удаляется за счет сил трения, возникающих при взаимодействии лесоматериалов друг с другом или с рабочими органами окаривающего оборудования.
21
При режущем способе кора отделяется от древесины с помощью
специальных режущих инструментов, например, ножей или фрез.
Механизированная поштучная окорка фрикционным и режущим
способами в отличие от ручной более производительна, но осуществляется с большей степенью потери деловой древесины и не позволяет
окаривать лесоматериалы с высокой степенью кривизны [62].
При струйном способе окорки кора удаляется с поверхности лесоматериалов посредством струи воды или воздуха, подаваемых под
большим давлением. Данный способ окорки позволяет достигать высокой степени очистки лесоматериалов от коры при минимальных потерях деловой древесины. Но такой способ применим только при малопроизводительной поштучной окорке, кроме того, образовавшиеся
после процесса окорки отходы в виде коры требуют дополнительных
операций по подготовке их к переработке или утилизации, например,
сушки [62].
Ультразвуковая окорка состоит из двух этапов, основанных на кавитационном и ряде других эффектов. Принцип данного вида окорки
заключается в следующем. Окариваемое бревно помещается в воду
с помощью специального излучателя создается ультразвуковая волна,
которая проникает через слои коры в камбиальный слой, где кавитационные и термодинамические явления вызывают мощные гидродинамические возмущения, что приводит к его кипению и последующему отслоению элементов коры от древесины. На границе воды и коры
возникает кавитационная область в которой возникают мощные
гидродинамические возмущения в виде сильных импульсов сжатия
(микроударных волн) и микропотоков, порождаемых пульсирующими пузырьками, следствием чего является отрыв отслоенных частей
коры от древесины [23], [24]. Процесс ультразвуковой окорки обусловлен рядом явлений возникающих в ультразвуковом поле, таких
как, кавитация, давление звукового излучения, акустические течения,
звукокапилярный эффект. Эффективность процесса ультразвуковой
окорки зависит от параметров звукового поля, определяемого источниками акустической энергии, интенсивностью звука, частоты колебаний [22].
Окорка СВЧ волнами основана на разрушении клеток камбиального слоя путем нагревания до кипения влаги в их полостях при облучении СВЧ волнами [3]. Технологический процесс осуществляется
путем активного поглощения СВЧ-энергии камбиальным слоем, что
вызывает быстрый нагрев и вскипание влаги в нем. Это обусловливает
22
резкое повышение давления в полостях клеток, разрушение клеточных
оболочек, вследствие чего нарушается связь коры с древесиной [63].
Химическая окорка — используются разрушающие пектин растворы, ослабляющие связи между древесиной и корой или разрушающие
полимеры, присутствующих в камбии.
Окорка электромагнитным полем — способ при котором кора удаляется по камбиальному слою посредством рабочих органов сформированных
с использованием ферромагнитных частиц и электромагнитного поля.
Термическая окорка — окорка при которой ослабление связи коры
с древесиной происходит в результате воздействия на нее водяного пара.
Данный способ эффективен в сочетании с механической окоркой, т. к. позволяет размягчить кору и существенно ослабить ее связь с древесиной.
Достоинствами немеханических способов окорки являются высокая степень очистки древесины при ее минимальных потерях; возможность использования не только для непосредственной окорки, но
и для предварительной обработки с целью ослабления связей коры
с древесиной и повышения качества и производительности последующей механической окорки.
2.3. Окорочное оборудование
Ручная окорка осуществляется с использованием специального
окорочного инструмента, такого как струги, скобели, лопатки, снабженные рукоятками (рис. 2.7).
Рис. 2.7. Ручной окорочный инструмент
23
Механизированная окорка ударным способом может осуществляться с использованием цепных окорочных установок.
Суть окорки с использованием цепных окорочных установок заключается в следующем — окариваемые лесоматериалы перемещают
в осевом направлении через систему вращающихся валов к которым
прикреплены отрезки, как правило, круглозвенных сварных цепей.
За счет центробежной силы цепи приобретают определенную
жесткость и ударяя по коре сбивают ее с поверхности лесоматериала.
Это ударное воздействие настолько мощное, что позволяет удалять
не только кору, но и сучья [14]. Обычно цепные окорочные устройства
состоят из полого вращающегося барабана в котором закреплены рабочие органы (рис. 2.8), выполненные в виде отрезков цепей [2], [4],
[51]. При этом для улучшения показателей окорки в цепи могут быть
вмонтированы дополнительные тяжелые металлические элементы
в виде бит или резцов [1], [7], [54], [56].
Рис. 2.8. Рабочий орган цепной окорочной установки (патент 2050271)
Существуют различные конструкции таких установок. Есть установки в которых бревно зафиксировано, а удаление коры происходит за
счет того, что вращающийся рабочий орган перемещается вдоль бревна; есть установки в которых бревно движется вдоль вращающегося
24
рабочего органа; также существуют цепные установки в которых кроме поступательно движения бревно совершает еще и вращательно
движение.
Достоинства цепных окорочных установок: возможность одновременно с корой с обрабатываемого ствола дерева удалять сучья, гниль,
возможность обрабатывать лесоматериалы любой длины даже при их
большой кривизне. Недостатки: быстрый износ рабочих органов, существенное повреждение деловой древесины, низкая производительность.
Как показало проведенное информационное исследование процесс цепной окорки все еще остается недостаточно изученным, и вызывает интерес у ученых, о чем свидетельствуют научные труды [37],
[40], [49].
Рис. 2.9. Шлифопилоокорочник Шведова (патент 40946)
Поштучная окорка может осуществляться и фрикционным способом, например, с использованием предложенного в патенте [57]
(рис. 2.9) шлифопилоокорочника Шведова — устройства содержащего
привод с приводной звездочкой, съемные аппараты в виде пазовых
шин с масляными каналами к ним, концевыми звездочками и натяжными устройствами, цепи, отличающийся тем, что сменные шины
выполнены по меньшей мере с двумя направляющими пазами, на
которых установлены многорядные цепи гусеничного типа с окаривающими или шлифующими рабочими органами [57]. Механизированный фрикционный способ окорки применим как при поштучной
так и при групповой окорке лесоматериалов.
25
По кинематике окорки станки для механизированной окорки принято подразделять на продольные, поперечные и роторные (рис. 2.10)
[62]. При этом кинематическую разновидность станка определяют по
относительному перемещению лесоматериала и окаривающего инструмента.
Рис. 2.10. Классификация окорочных станков по кинематике
26
У продольных станков лесоматериал перемещается вдоль оси навстречу инструменту (либо инструмент перемещается вдоль лесоматериала). Сдвиг коры или резание происходит вдоль волокон древесины.
У поперечных станков лесоматериалу придается вращательное
или винтовое движение. При вращательном движении лесоматериала
инструмент перемещается вдоль его оси, а при винтовом — инструмент неподвижен. Сдвиг коры происходит в поперечном направлении
к поверхности древесины [62].
У роторных станков инструменты вращаются вокруг оси лесоматериала, который имеет продольно-поступательное движение. Кора
сдвигается относительно волокон древесины в поперечном направлении по винтовой траектории [62].
Окорочное оборудование имеет также различие по типу короснимающего инструмента. По этому признаку фрикционные станки
разделяются на скребковые поштучной окорки и фрикционные групповой окорки, режущие — на фрезерные и ножевые, струйные —
гидравлические и пневматические [62].
Скребковые станки по кинематике взаимного движения бревна и инструмента делятся на продольно-скребковые, поперечноскребковые и роторно-скребковые [62].
Продольно-скребковые станки получили ограниченное применение, несмотря на их достаточно высокую производительность и небольшие потери древесины в стружку. Недостатком работы станков
является низкое качество окорки из-за неудовлетворительного охвата
инструментом окружающей поверхности бревен различных диаметров
и интенсивного засорения окаривающих органов и полостей станка корой, так как она отделяется от бревен длинными полосами [62].
Поперечно-скребковые станки в практике используются слабо изза малой производительности. Особенностью поперечных станков
почти всех механических способов окорки является повреждение волокон поверхности ствола, проявляющееся в виде взрывов, защепов
и мшистости заболони [62].
Большое распространение на окорке древесины получили роторноскребковые станки в леспромхозах, на лесопильных заводах, лесоперевалочных базах и целлюлозно-бумажных предприятиях. Эти станки
имеют высокую производительность и дают незначительные отходы
древесины в стружку при сравнительно небольшой массе и мощности
привода, хорошо измельчают и удаляют кору. Эти преимущества обеспечивают высокую экономичность их работы [62].
27
Продольно-фрезерные станки более известны как переносные инструменты, базирующиеся на моторных пилах. У продольно-ножевых
стационарных станков ножи в виде дугообразных лопаток охватывают бревно по окружности и чаще используются для частичной окорки
работы [62].
Поперечно-фрезерные окорочные станки с дисковыми цилиндрическими фрезами способны окаривать бревна различных размеров
и форм. Подающие механизмы станков вращают бревно по винтовой
траектории, а фреза совершает колебательное движение, копируя его
неровности работы [62].
Станки с цилиндрическими фрезами при вращательном движении бревна формируют мшистую поверхность с вырывами волокон.
Хотя и волнистая, но более гладкая поверхность образуется дисковыми фрезами, поскольку при вращении диска направление резания
в основном продольное к волокнам древесины работы [62].
Роторно-фрезерные станки, также как и поперечно фрезерные,
имеют цилиндрические или торцевые фрезы. Лучшее качество окорки
обеспечивается торцевыми фрезами, у которых направление резания
аналогично дисковым. Ножи, употребляемые вместо фрез, используются для зачистки сучьев, либо для чистой доработки лесоматериала
работы [62].
Особенностью всех станков режущего типа являются: наличие
острозаточенных ножей с углами резания менее 900 и копиров для
ножей, их способность окаривать сухую и мерзлую древесину, значительные отходы древесины (от 5 до 20 %), особенно при окорке тонкомерных бревен. При небольших объемах окорки и повышенных
требованиях к качеству окоренной поверхности станки могут конкурировать с фрикционными станками [62].
Рассмотрению процесса фрезерной окорки древесины посвящен
ряд работ, в том числе [17], [18], [19], [21], [25], [26] и др. в которых приводится современная методика расчета процесса окорки режущим
способом, позволяющая в зависимости от принятых параметров
окорки и физико-механических свойств коры оценить усилия необходимые для достижения высокого качества окорки, показана зависимость показателей процесса окорки с использованием окорочных
станков режущего типа от различных факторов, в том числе: от влажности древесины, ее породы, температуры окружающей среды, угловых, силовых и кинематических параметров окорочного оборудования режущего типа.
28
Установки групповой обработки делятся на бункерные, барабанные и продольно-групповые.
По загрузке лесоматериалов групповые установки различают периодического и непрерывного действия. По кинематике и расположению бревен вдоль оси установки разделяют на установки с параллельным и беспорядочным перемещением лесоматериалов [10], [62].
Благодаря высокой производительности, хорошему качеству окорки, незначительным отходам древесины, наименьшим трудовым и материальным затратам в целлюлозно-бумажной промышленности для
окорки балансов и в леспромхозах для окорки низкокачественных
кусковых отходов широкое применение получили барабанные установки (рис. 2.11) [46], [47], [62], [74], [77].
1
2
Рис. 2.11. Окорочный барабан
При окорке сырья в барабанах происходит не только отделение
коры, но и истирание гнили. Пораженные лесоматериалы предварительно раскалывают. Деструктивная гниль удаляется на 75—90 %, тогда
как коррозионная не более чем на 12 %. Степень и интенсивность удаления гнили в разное время года примерно одинаковы [10].
Достоинства окорочных установок барабанного типа заключается
в их простоте и надежности работы. Однако, в таких установках затруднена загрузка длинномерных сортиментов и не обеспечивается
направленное воздействие на их внешнюю поверхность.
Окорочный барабан представляет собой полый вращающийся цилиндр, внутрь которого помещаются окариваемые лесоматериалы.
29
Процесс функционирования окорочного барабана включает: загрузку в барабан древесного сырья, которое в его поперечном сечении
образует сегмент заполнения; поворот сегмента до критического угла
наклона его поверхности — угла динамического откоса, при котором
древесина достигает наивысшей точки подъема и обрушивается вниз;
обрушение древесины вниз и удар поленьев о стенку барабана или
о расположенные на его внутренней поверхности рабочие органы; отделение от древесины примесей и выгрузку древесины из барабана [72].
При вращении барабана каждый из находящихся в нем балансов
претерпевает ряд воздействий как динамических в результате соударения балансов друг о друга и о внутреннюю поверхность стенок барабана, так и фрикционных в результате трения лесоматериалов друг
о друга и о стенки барабана.
Установки барабанного типа широко используются в линиях по
производству технологической щепы. Для повышения производительности линий окорочные барабаны оснащают активными и пассивными рабочими органами — интенсификаторами процесса перемешивания и окорки, осуществляют каскадное расположение секций
барабанов и предварительную подготовку к окорке, используют
гидротермические методы воздействия [8], [36], [45], [59], [81].
Установки бункерного типа открыты сверху и снабжены специальными рабочими органами (валами с кулачками, транспортерами,
шнеками и др.) для перемешивания и очистки древесины [81].
Пример бункерной окорочной установки, разработанной профессором И. Р. Шегельманом, и включающей трактор ТБ-1 и бункер
на колесном шасси с перемешивающим механизмом, представлен на
рисунке 2.12.
Групповая окорка является наиболее выгодной для обработки некондиционной древесины со всех точек зрения: экологической, экономической, ресурсосбережения, энергосбережения и др. [10], [47], [62], [82].
Струйные станки в зависимости от струеносителя бывают гидравлическими и пневматическими. Окаривающим инструментом
у гидравлических станков являются мощные струи воды, а у пневматических — струи воздуха с древесными наполнителями. Отходы
древесины при окорке на этих станках не превышают 1…2 %. Одновременно с корой струя удаляет песок и другие инородные частицы, что важно при окорке сплавных бревен. Гидравлические установки потребляют большие объемы воды (до 70 кг/с), энергоемки
(400…800 кВт) и материалоемки [60].
30
Рис. 2.12. Бункерная сучкорезно-окорочная установка
В настоящее время учеными ведется поиск технических решений
по совершенствованию данного вида окорки лесоматериалов, о чем
свидетельствует работа [28].
Примером оборудования для ультразвуковой окорки может служить конструкция, описанная в патенте [55]. Данная установка состоит
из ультразвукового генератора, который приводит в действие магнитострикционный излучатель, воздействующий на лесоматериал в двух
технологических областях, в одной из которых, под воздействием ультразвуковых волн, происходит кипение камбиального слоя, что приводит его к отслоению от древесины, в другой технологической области,
под воздействием ультразвуковых волн с высокой амплитудой колебания, возникает ультразвуковая волна, которая, соударяясь с отслоенной корой, приводит к ее отрыву, а также к созданию крутящего момента, обеспечивающего вращение окариваемого лесоматериала [55].
Особенность данного вида окорки заключается в том, что при воздействии ультразвуковых волн потребляемая электроэнергия снижается и повышается технологичность оборудования. Кроме того, технологический процесс окорки лесоматериалов с воздействием на него
ультразвуковых волн может использоваться как для предварительной
обработки лесоматериалов перед окоркой в роторных станках, так
и для непосредственной ее окорки [55].
31
При окорке древесины с использованием СВЧ волн на обрабатываемый лесоматериал воздействуют высокочастотными волнами,
которые проникают через наружный и внутренний слои коры в камбиальный слой. В результате чего происходит кипение камбиального
слоя с последующим разрывом межмолекулярной связи, что приводит к отслоению частей коры от древесины [55].
Для осуществления способа химической окорки может быть использовано устройство предлагаемое в патенте [50]. Устройство для
удаления коры с бревен включает в себя транспортер для подачи бревен
в корообдирочный станок, например корообдирочный барабан, станок
для удаления коры струей высокого давления и т. п., и применяется, например, в сочетании с транспортером, системой трубопроводов с соплами для обрызгивания бревен энзимным раствором. Это устройство
содержит средство удаления энзимного раствора с бревен и подачи его
обратно в трубопровод для энзимного раствора, что позволяет вторично использовать раствор. Устройство имеет питающие подводы для
подачи свежей воды и энзимного раствора, например, в трубопровод.
Система трубопроводов снабжена циркуляционным насосом для создания достаточного давления [50]. Данный способ окорки позволяет
удалять кору с бревен с высокой скоростью, с меньшей затратой энергии и более высокой точностью с тем, чтобы свести до минимума количество древесного волокна, удаляемого вместе с корой [50].
Примером оборудования для реализации окорки с использованием
электромагнитного поля может служить конструкция, описанная в патенте [53]. Окорка лесоматериалов, перемещающихся через образуемый
рабочий контур, взаимодействующий с удаляемой по камбиальному
слою корой обрабатываемого лесоматериала, достигается тем, что рабочий контур формообразуют посредством ферромагнитных частиц, располагаемых в рабочем зазоре между внешним источником электромагнитного поля и окариваемой поверхностью лесоматериала, при этом
габаритные размеры используемых частиц принимают не меньшими
толщины коры обрабатываемого лесоматериала, но не большими 1/12—
1
/8 его диаметра, а среднее значение электромагнитной индукции в рабочем зазоре создают величиной, обеспечивающей удельное сцепление
формообразующих частиц не меньшим критического предела прочности связи коры с камбиальным слоем лесоматериала [53].
Данный способ позволяет добиться высокого качества окорки лесоматериалов различного физического состояния путем улучшения
32
копирования рабочим контуром окариваемых поверхностей лесоматериалов без ограничения к их формообразующим конфигурациям,
а также повышение износостойкости рабочего контура, интенсификации и эффективности технологического процесса обработки лесоматериалов в целом [53].
Примером термической окорки может служить конструкция описанная в патенте [5]. К окорочному барабану подключается парораспределитель, подключенный к системе подачи пара. Наличие пара
подаваемого в зону механической окорки позволяет размягчить кору,
ослабить ее связь с древесиной и тем самым повысить качество окорки при снижении потерь деловой древесины.
По степени подвижности окорочные установки можно разделить
на стационарные, передвижные и мобильные.
Мобильные — установки, имеющие возможность перемещения
своим ходом с одного рабочего места на другое.
Передвижные (рис. 2.13) — установки, имеющие возможность
перемещения, но при этом не имеют собственного механизма передвижения. Обычно устанавливаются на рамы прицепов или полуприцепов, агрегатируемых с самоходным шасси.
Экспериментальный образец установки Р-441 для очистки пневокорневой древесины, лесоматериалов и отходов лесозаготовок, исследованный И. Р. Шегельманом, представлен на рисунке 2.13.
Рис. 2.13. Передвижная окорочная установка Р-441
33
Другим примером передвижной окорочной установки может служить конструкция описанная в патенте [52] (рис. 2.14). Данная передвижная окорочная установка работает, преимущественно, около
транспортных путей лесосек и на территориях склада в местах штабелирования лесоматериалов. При подъезде к штабелю лесоматериалов
манипулятор захватывает группу бревен и укладывает на накопитель 8, с которого осуществляется поштучная выдача их, например,
манипулятором или специальными устройствами в виде отсекателей
(не показано). На подающее устройство (транспортер) 3, перемещающее неокоренное бревно (лесоматериал) в направлении к центрирующему механизму 4, обеспечивающему центрирование бревна относительно оси вращения ротора и с помощью подающего транспортера 3
подачу его по оси ротора окорочного станка 5. При вращении ротора
установленный на нем окаривающий инструмент производит снятие
коры с древесины. Выбрасываемые из станка технологические отходы (кора) под действием центробежных сил попадают в приемник 16,
откуда кора удаляется посредством выносного конвейера 17 к бункеру 18 или при соответствующем повороте конвейера 17 к подъездному
контейнеру (не показан). Оснащение окорочной установки приемником отходов с выносным конвейером позволяет осуществлять сбор
технологических отходов (коры), что предусматривает дальнейшее
использование незагрязненной грунтом коры для различных видов
производств или по экологическим требованиям кору, зараженную
радионуклидами, перевозят к местам захоронения [52].
Рис. 2.14. Передвижная окорочная установка (патент 2078684)
Стационарные установки (рис. 2.15) — установки, которые монтируются на определенном рабочем месте и не предусматривают возможности их перемещения.
34
Рис. 2.15. Стационарная окорочная установка
(авторское свидетельство 479624)
Преимуществом мобильных и передвижных установок является
возможность проводить окорку лесоматериалов прямо на лесосеке.
В этом случае лесоматериалы будут окариваться практически сразу
после валки дерева, следовательно кора еще не успеет на них высохнуть, в связи с чем ее будет легче отделить от древесины; за счет сокращения времени окорки снизятся потери деловой древесины; за
счет удаления коры произойдет уменьшение наружного диаметра
круглого лесоматериала, что положительно скажется при его транспортировке, т. к. снизится масса и возрастет коэффициент полнодревесности; кора будет оставаться в лесу и может быть использована
в качестве удобрения для лесопосадочного материала, следовательно,
у потребителя древесного сырья не будет возникать вопрос утилизации коры; древесина без коры менее подвержена поражению различного рода грибками, чем древесина, хранящаяся в штабелях в коре,
особенно в летний период.
Недостатками таких установок являются ограничение по размерам, обусловленное размерами транспортного средства на котором
они установлены, ограничение по весу обрабатываемых за один цикл
работы лесоматериалов, связанное с ограниченной грузоподъемностью транспортного средства, ограничение мощности привода,
высокие эксплуатационные затраты, связанные с обслуживанием
35
не только окорочной установки, но и транспортного средства, обеспечивающего ее перемещение.
По функциональному назначению существующие окорочные установки можно разделить на несколько групп:
— окорочные установки — предназначены только для очистки древесины от коры, гнили и минеральных примесей;
— сучкорезно-окорочные — способны осуществлять не только
очистку древесины от коры, но и удалять сучья с обрабатываемых
стволов деревьев; Пример может служить сучкорезно-окорочное
устройство (рис. 2.16), описанное в работе [56], которое включает
установленные на раме протаскивающий механизм в виде рябухи
с приводом и поддерживающими роликами, приводные барабаны с гибкими рабочими органами и боковыми ребордами. Гибкие
рабочие органы выполнены из отрезков цепей. Цепи установлены
на приводных барабанах в несколько рядов. Во все отрезки цепей
вмонтированы тяжелые металлические элементы типа биты размерами более одного звена цепи. Валы приводных барабанов с гибкими рабочими органами смещены по отношению друг к другу по
линии протаскивания деревьев на величину, большую длины отрезков цепей. Устройство обеспечивает повышение эффективности очистки стволов от сучьев и коры;
— комплекс для удаления сучьев и коры с поваленных деревьев с последующей раскряжевкой. Примером такого комплекса может служить
изобретение, описанное в патенте [58]. Данный комплекс (рис. 2.17),
предназначенный для обработки поваленных деревьев, состоит
из сучкорезно-окорочного устройства 1 и самоходного гидроманипулятора 2. Сучкорезно-окорочное устройство 1 выполнено
с установленными на раме 3 протаскивающим механизмом в виде
рябух 4 с приводом, поддерживающими роликами 5 и двумя, нижним и верхним, приводными барабанами 6 с гибкими рабочими
органами из отрезков цепи 7 в два ряда на каждом барабане 6. Во
все отрезки цепи вмонтированы тяжелые металлические элементы, типа биты, расположенные в шахматном порядке в каждом
ряду, а валы приводных барабанов 6 с гибкими рабочими органами смещены по отношению друг к другу по линии протаскивания
деревьев на величину, большую длины отрезков цепей. Механизм
загрузки и выгрузки выполнен в виде самоходного гидроманипулятора 2 стрелового типа с захватом 8, оснащенного пильным органом 9 на конце стрелы 10 для раскряжевки. С помощью захвата 8
берутся деревья из подтрелевочной пачки 11 для получения обработанных стволов 12 и сортиментов 13;
36
— устройства, позволяющие не только окаривать тонкомерные лесоматериалы, но и отделять от них древесную зелень. Примером такого
устройства служит конструкция, разработанная КАРНИИЛПом [6].
Устройство для отделения древесной зелени и коры от ветвей [6]
включает термокамеру, установленный в ней вращающийся барабан на внутренней поверхности которого смонтированы дугообразные зубья.
Рис. 2.16. Устройство сучкорезно-окорочное (патент 2380222)
Рис. 2.17. Комплекс для удаления сучьев и коры с поваленных деревьев
с последующей раскряжевкой (патент 91668)
37
Известно, что производительность окорочного оборудования зависит от геометрических параметров и физического состояния окариваемых лесоматериалов, типа станка и режима его работы, требований к качеству окорки [10], [11], [39], [43], [46], [47], [62], [73], [79], [15].
Оборудование для окорки древесного сырья должно удовлетворять следующим требованиям: осуществлять окорку лесоматериалов
с заданной степенью чистоты при наименьших потерях древесины;
окорять сырье различного гидротермического состояния — сухое,
влажное, мерзлое; обрабатывать лесоматериалы различной формы
и размеров с кривизной, остатками сучьев и закомелистостью [47], [62].
В основе выбора того или иного вида окорочного оборудования лежат несколько факторов, во первых, параметры обрабатываемых лесоматериалов (порода древесины, диаметр ствола, влажность, и др.),
во-вторых, необходимые показатели процесса окорки (требуемая степень чистоты окорки, производительность и др.)
38
3. Окорочные барабаны
3.1. Технология групповой
барабанной окорки
Важнейшей задачей в технологии групповой барабанной окорки
является обеспечение высококачественной интенсивной и равномерной обработки сырья независимо от его состояния и времени года.
Интенсификация процесса окорки достигается установкой внутри
барабана специальных устройств — рабочих органов, увеличением
частоты вращения барабана и гидротермической обработкой древесины. Рост производительности в 1,3—1,5 раза наблюдается также при
увеличении рабочей частоты вращения до 0,8nкр, что соответствует
16—20 мин–1 [47].
Интенсификацию процесса окорки при увеличении частоты вращения барабана можно объяснить перераспределением масс лесоматериалов в движущихся встречных потоках. При малой скорости вращения их масса в зоне обрушения значительно меньше, чем в среднем
слое и зоне подъема. Эта масса тем меньше, чем ниже частота вращения
барабана. Благодаря увеличению скорости подъема с увеличением частоты вращения возрастает и количество лесоматериалов, выносимых
из зоны подъема в зону обрушения. Масса древесины в нижнем слое
снижается, а скорость ее перемещения в зоне обрушения, обусловленная силой тяжести лесоматериалов, практически не изменяется. Возросшее в зоне обрушения число лесоматериалов заметно увеличивает
массу древесины в верхнем слое сегмента заполнения. В результате
возрастают контактные напряжения в среднем слое, увеличиваются
силы трения и сдвиговые деформации коры [47].
В работах [72], [75], [76] рассмотрена базовая техническая система —
устройство для групповой окорки древесины, включающее смонтированный на основании барабан с рабочими органами внутри, механизм загрузки сырья, механизм выгрузки древесины и отдельных от
нее примесей. Древесина очищается в барабане ударно-фрикционным
способом, при котором бревна контактируют, соударяются и трутся
между собой, с внутренней поверхностью барабана и его рабочими
органами.
39
Процесс функционирования окорочного барабана включает: загрузку в барабан древесного сырья, которое в его поперечном сечении
образует сегмент заполнения; поворот сегмента до критического угла
наклона его поверхности — угла динамического откоса, при котором
древесина достигает наивысшей точки подъема и обрушивается вниз;
обрушение древесины вниз и удар поленьев о стенку барабана или
о расположенные на его внутренней поверхности ножи; отделение от
древесины примесей и выгрузку древесины из барабана [72].
Исследования [46], показывают, что форма поперечного сечения
обрабатываемого сырья в виде сегмента идеализирована, и это сырье
имеет выпуклую вверх поверхность. При этом поперечное перемещение древесного сырья в барабане происходит послойно.
Послойный характер движения древесного сырья в барабане свидетельствует о различии скоростей движения поленьев, перемещаемых
в поперечном сечении барабана, и позволяет предположить наличие
в средней части барабана пассивной зоны, в которой не обеспечивается интенсивное воздействие на обрабатываемое сырье.
При послойном перемещении бревна, находящиеся в слоях, стремятся сохранить свое положение в этих слоях, и неинтенсивно переходят в смежные слои. В итоге одни бревна постоянно находятся
в зонах интенсивной окорки, а другие — в зонах пассивной окорки.
В результате не обеспечивается равномерная окорка находящихся
в барабане бревен и соответственно увеличиваются энергетические
и финансовые затраты на процесс доведения обрабатываемого сырья
до требуемого качества окорки (для щепы марки Ц-1 качество окорки
должно составлять не менее 90 %, марки Ц-3 — не менее 70 %). При
этом повышается и степень повреждения древесины у бревен, находящихся в зонах интенсивной окорки.
В связи с вышеизложенным профессором И. Р. Шегельманом были
выделены в поперечном сечении барабана несколько типичных зон,
характеризующихся различной интенсивностью воздействия на обрабатываемое сырье [72], [75]:
— зона I — пассивная зона, характеризуется небольшой скоростью
перемещения поленьев друг относительно друга и относительно
поверхности барабана. Поэтому процесс очистки попадающих
в зону поленьев происходит с низкой интенсивностью [72];
— зона II — зона подъема, примыкающая к внутренней поверхности
барабана. Попавшие в эту зону поленья под воздействием сил трения
40
и расположенных на внутренней поверхности барабана ножей
и балок поднимаются вверх. Наличие рабочих органов на внутренней поверхности барабана при небольшой скорости вращения
позволяет исключить проскальзывание нижнего ряда поленьев
относительно барабана. Под действием собственного веса и сил
трения расположенные выше нижнего ряда поленья также увлекаются и поднимаются вместе с нижним рядом, образуя подымающийся вверх слой древесного сырья. Выполняя функцию подъема
древесного сырья, зона не обеспечивает интенсивного воздействия
поленьев друг на друга [72];
— зона III — переходная зона. Поднятое в переходную зону полено
перестает воспринимать давление сверху, нормаль к внутренней
поверхности барабана в этой зоне образует с горизонтальной плоскостью угол менее 90° и полено под действием собственного веса
перемещается вниз и попадает в зону обрушения [72];
— зона IV — зона обрушения. Перемещаемые в верхней части зоны
поленья ударяются друг о друга. Перемещаемый вниз слой древесного сырья контактирует с древесным сырьем, расположенным
в зоне I. Благодаря такому контактированию под действием ударов и тангенциальных сил трения происходят ударные и сдвиговые деформации, способствующие активному разрушению коры
и очистке древесины [72];
— зона V — зона удара, являющаяся наиболее активной зоной разрушения коры на поленьях и грунта на кусках пней. Полено ударяется
о стенку барабана или о расположенный на его внутренней поверхности рабочий орган. В результате падения полено воспринимает
ударный импульс, направленный противоположно направлению
удара, и за счет вращения барабана получает толчок, направленный в сторону его вращения [72].
Рассмотренные закономерности процесса групповой очистки древесного сырья в барабане позволили на основании использования
принципов функционально-технологического анализа в рамках формирования матрицы развития технической системы определить следующие направления интенсификации этого процесса [72], [75]:
— интенсивное перемещение поленьев из пассивной зоны I в активную зону IV или в зону подъема II. Это приведет к повышению равномерности окорки обрабатываемых в барабане поленьев. В базовой технической системе такое циркулирование не обеспечивается,
41
поленья, обрабатываемые на периферии сегмента заполнения,
окариваются значительно быстрее, чем поленья, обрабатываемые
в средней части этого сегмента [72];
— интенсификация взаимодействия в зоне II между перемещаемым
вверх древесным сырьем и внутренней поверхностью барабана
или расположенными на ней рабочими органами [72];
— интенсификация использования кинетической энергии поленьев,
сбрасываемых в зону удара [72].
Исследования [10], [11], [15], [16], [27], [31], [38], [45], [47], [61], [62],
[64], [65], [73] и др. показали, что качество обработки лесоматериалов
в окорочном барабане зависит от многих факторов: диаметра, длины,
влажности, прочности коры обрабатываемого сырья, а также от параметров и характеристик окорочного оборудования. Рассмотрим влияние этих факторов на процесс окорки подробнее.
С увеличением диаметра бревен качество окорки древесины ухудшается, но вместе с этим снижаются ее потери [10].
Сокращение потерь древесины обусловлено тем, что с увеличением диаметра полена площадь его боковой поверхности растет пропорционально диаметру, а объем пропорционально квадрату диаметра.
Поэтому потери древесины в процентном соотношении к объему полена сокращаются.
Ухудшение качества окорки лесоматериалов с увеличением их
диаметра объясняется тем, что, во-первых, при увеличении циклов
нагружения (количества взаимодействий лесоматериалов) предел
усталости коры наступает раньше для поленьев меньшего диаметра
ввиду меньшей толщины коры; во-вторых, тем, что поленья большего
диаметра в большей степени стремятся занять радиальное положение
в барабане [11]. Поэтому для интенсификации процесса окорки рекомендуется сортировать древесину по диаметрам на три группы: до
16 см, 16—24 см, свыше 24 см [11].
Несмотря на многолетний опыт создания, эксплуатации и исследований в области групповой обработки древесины мнения различных
специалистов и фирм о преимуществах окорки коротья над длинномерной древесиной расходятся.
Главным преимуществом барабанов параллельной окорки по сравнению с периодическими и непрерывными барабанами для коротья
является более высокая (на 30 %) производительность при одинаковой
скорости вращения и степени заполнения. Кроме того, такие барабаны
42
могут работать при более высоких скоростях вращения и степени заполнения, что дополнительно увеличивает их производительность,
уменьшает потери древесины и исключает размочаливание торцов
древесины. В работе [11] отмечена имеющаяся за рубежом тенденция
перехода на параллельный способ окорки с последующей распиловкой древесины на слешерах, если это вызвано необходимостью.
Деформация торцев при обработке короткомерной древесины
происходит вследствие ударов о внутреннюю поверхность барабана
и возрастает с увеличением продолжительности нахождения балансов в нем. По данным [29] количество отходов полезной древесины
для свежего баланса составляет 0,5 % для мороженого 1,2 %. Переработка балансов с деформированными торцами дополнительно снижает качество и выход щепы, ухудшает условия хранения балансов.
Этих недостатков нет у барабанов параллельной окорки, так как
в них исключаются развороты балансов относительно продольной
оси барабана.
Параллельная окорка представляется перспективной для таких
сортиментов как шпальник, пиловочник и др. [11]. При этом вместо
сложных станков для поштучной окорки, требующих постоянного
внимания оператора, используется оборудование для групповой обработки с периодическим контролем за процессом обработки. Это
определяет целесообразность проведения исследований и обоснования эффективных параметров оборудования для групповой обработки шпальника, пиловочника и других длинномерных материалов.
Экспериментально установлено, что наилучшие условия для обработки коротья создаются при отношении диаметра барабана к длине
балансов 2,5—3. При этом основная часть бревен (70—80 %) взаимодействует в зоне обрушения при угле встречи 45—90°. При отношении
диаметра барабана к его длине 1—2 взаимодействие основной массы
бревен (85 %) происходит при угле встречи 0—30°. При увеличении соотношения диаметра бревна к длине до 7,6 отмечалось «пересыпание»
бревен, и процесс трения боковыми поверхностями нарушался [11].
Для сухой окорки при диаметрах барабанов 3, 4, 5 и 6 м рекомендованы соответственно следующие длины обрабатываемых балансов:
0,8—1,2 м; 1,1—1,6 м; 1,3—2,0 м; 1,6—2,4 м. При обработке балансов таких длин, в зоне обрушения обеспечивается угол встречи (45—90°),
что способствует интенсификации процесса окорки [11].
43
Ухудшение качества окорки коротья при увеличении длины окариваемых лесоматериалов объясняется снижением интенсивности их
взаимодействия ввиду кострения.
По данным [33] при отрицательных температурах производительность окорочного барабана снижается в 2 раза, а потери заболонной
древесины и отходы составляют 12—25 %. Для повышения производительности процесса окорки древесины при отрицательной температуре в нашей стране и за рубежом широко применяются различные способы размораживания лесоматериалов [11], [29], включая увлажнение
лесоматериалов в горячей воде или, подаваемой в барабан «мокрой»
окорки, или в бассейне, в котором вымачиваются лесоматериалы.
Из конструктивных параметров решающее влияние на процесс
окорки оказывает диаметр барабана [10]. Это вызвано тем, что с его
увеличением пропорционально растет высота подъема поленьев и удлиняется их путь в процессе обрушения древесины, в результате чего
увеличивается количество и сила ударов, приходящихся на одно полено. Кроме того, с увеличением диаметра барабана, пропорционально его квадрату растет вместимость, а, следовательно, и пропускная
способность барабана. По данным Р. Шериау, производительность барабана пропорциональна его диаметру в степени 3,3.
В мировой практике величина диаметров окорочных барабанов,
выпускаемых различными фирмами колеблется в широких пределах
от 2,5 м до 6 м.
Длина окорочного барабана влияет на процесс окорки значительно
меньше, чем диаметр. Производительность барабана пропорциональна его длине [10]. В практике длина окорочных барабанов непрерывного действия, как правило, принимается не менее 7—5 метров, что
вызвано необходимостью за один проход балансов окорить основное
количество лесоматериалов. Поэтому барабаны меньшей длины основывают на цикличном принципе действия.
Основной отличительный признак окорочных барабанов периодического действия — сравнительно малая длина, которая равна
диаметру или несколько выше его, но не более чем в 1,5 — 2,0 раза.
У окорочных барабанов непрерывного действия отношение длины
к диаметру должно быть не менее 2,5, а у некоторых конструкций достигает 5—6 [47].
Влияние степени загрузки барабана на показатели процесса окорки исследовались в ЦНИИМЭ, ВНПОбумпроме, ЛТА, КарНИИЛПе
44
и др. организациях. Эти исследования показали, что степень загрузки барабана оказывает на процесс окорки двоякое влияние [10]. При
ее росте увеличивается объем обрабатываемых лесоматериалов, что
должно повлечь повышение производительности барабана. С другой
стороны, уменьшается частота и сила удара.
Согласно исследованиям проведенным с использованием барабана
КБ-3 оптимальной является загрузка барабана на 50—60 % от его геометрического объема [38]. В диссертационной работе В. Я. Матюнина
коэффициент загрузки барабана рекомендован в пределах 0,55—0,60.
По данным В. Г. Разумовского, исследовавшего процесс окорки
лиственницы в барабанах непрерывного действия при заполнении
барабана на 40—60 %, величина сил трения, действующих между соприкасающимися поверхностями образцов, незначительна и окорка
обеспечивается ударной нагрузкой, вызывающей интенсивное разрушение коры [61]. Величина ударного импульса при таком заполнении
является максимальной. При заполнении барабана выше 60 % величина ударного импульса несколько уменьшается, но она компенсируется возрастающими силами трения между поленьями. По данным
В. Г. Разумовского оптимальной степенью загрузки с точки зрения
расхода мощности, производительности и потерь древесины является
на 60—80 %.
Согласно [36] оптимальный режим работы корообдирочного барабана, соответствующий наибольшей технологической производительности, отвечает его загрузке до степени заполнения в динамическом состоянии в диапазоне 0,7—0,8.
В работах [36], [83] показано, что в барабанах непрерывного действия коэффициент загрузки зависит от разности в уровнях загрузки
на входе и выходе из барабана, обеспечивающем продольное перемещение балансов, исходя их этого сделан вывод о том, что оптимальные условия окорки древесины по степени заполнения таких барабанов могут быть достигнуты в результате каскадного расположения
секций.
В работе [11] показано, что с увеличением объема загрузки лесоматериалов в барабан потери древесины вырастают. Это объясняется
тем, что с увеличением объема обрабатываемых в барабане за один
цикл лесоматериалов возрастает производительность цикла, необходимая для получения 90—100 % качества окорки. При этом ухудшаются условия контактирования поленьев, т. к. поленья, контактирующие с коронадрезающим элементом к определенному времени уже
45
окорены, а другие, находящиеся в середине массы обрабатываемых
поленьев, еще не окорены. Поэтому во время доокорки (до 90—100 %)
неокончательно обработанных поленьев уже окорившиеся поленья
еще находятся в барабане, с них удаляется древесина, что приводит
к возрастанию ее потери. Исходя из результатов исследований, в рассмотренной работе, рекомендуется загружать барабаны периодического действия на 50—60 %.
Из параметров режима работы барабана наибольшее влияние на
показатели процесса окорки оказывает частота его вращения [10]. Она
влияет на характер перемещения древесного сырья, частоту контактирования поленьев. Влияние скорости вращения барабана на показатели процесса окорки рассмотрены в работах [39], [43], [44], [46] и др.
Критическое значение частоты вращения барабана наступает в тот
момент, когда центробежные силы, возрастающие с увеличением частоты вращения и стремящиеся прижать бревна к внутренней поверхности барабана, уравновешивают вес этих бревен. Значение критической частоты вращения барабана определяется по формуле [10]:
nɤɪ | 9,5 ˜
2˜g ,
Dɜɧ
где nкр — критическая частота вращения, мин–1;
g — ускорение свободного падения , м/с2;
Dвн — внутренний диаметр окорочного барабана, м.
Для серийно выпускаемых барабанов типа КБ-3, КБ-6 с внутренним диаметром 2,9 м, при ускорении свободного падения 9,81 м/с2
критическая частота вращения составит около 25 мин–1.
В СССР первой фундаментальной работой, обобщившей накопленный к 1941 г. зарубежный и отечественный опыт создания и эксплуатации барабанных и бункерных установок для групповой окорки лесоматериалов, является диссертация, подготовленная Б. Г. Залегаллером
[31]. В числе важных выводов Б. Г. Залегаллера является заключение
о том, что сравнительно небольшое снижение требований к качеству
окорки значительно повышает производительность корообдирочных
установок, например, увеличение процента оставшейся коры с 1 % до
2 % приводит к увеличению производительности в 2,1 раза, а допущение 5 % коры увеличивает производительность в 5,2 раза, допущение
окорки только на 50 % увеличивает производительность корообдирочных установок в 100 раз. При этом с увеличением силы прижима окариваемых бревен друг к другу потребное число оборотов для
46
окорки резко возрастает, а производительность резко снижается. Так,
например, с уменьшением силы прижима с 800 до 200 кг/пог. м. производительность корообдирочной установки прямопропорциональна
квадрату давления на окариваемые бревна, что свидетельствует о целесообразности увеличения объема бревен, одновременно окариваемых в бункерной установке.
По данным [31] коэффициенты трения бревен не зависят от силы
прижима и составляют для трущихся сухих бревен в коре 0,85, без коры
0,16, для смоченных водой поверхностей коэффициент трения бревен
с корой составляет 0,61, без коры 0,11. При этом сравнительно большое
значение коэффициента трения коры по коре объясняется значительной шероховатостью коры и тем, что трение сопровождается отделением коры от поверхности бревна, т. е. в замеренную силу трения входят
усилия на отрыв коры от поверхности бревен. Сравнительно небольшое
увеличение коэффициента трения сухих и смоченных бревен объясняется тем, что при опытах поверхности сухих бревен покрывались
тонким слоем пленки соков древесины, выполняющей роль смазки.
В работах [44], [45], [46] по аналогии с теорией шаровых мельниц
и грохотов в зависимости от частоты вращения выделено два основных вида движения древесного сырья в поперечном сечении барабана: каскадный и водопадный. Идеализированные схемы кинематики
движения поленьев при каскадном и водопадном режимах работы отличаются следующим:
— при каскадном режиме материал движется вверх по круговым
траекториям до верхней точки наклонного слоя и скользит вниз
по прямой наклонной траектории (поверхности обрушения), при
этом выделяют две разновидности движения. Движение с периодическим обрушением (периодический каскад) возникает при скоростях вращения барабана до 0,4nкр. Движение с непрерывным обрушением (непрерывный каскад) возникает при вращении барабана
со скоростью (0,4—0,8)nкр;
— при водопадном режиме поленья также движутся вверх по круговым траекториям, а вверху отрываются от них и движутся как
тела, подброшенные к горизонту с начальной скоростью, равной
окружной скорости барабана, по параболической траектории.
При скорости вращения барабана (0,8—0,85)nкр начинается подбрасывание поленьев вверх и происходит переходное каскадноводопадное движение. С увеличением числа оборотов более 0,85nкр
наступает водопадный режим работы барабана.
47
В диссертационной работе В. Я. Матюнина [44] рекомендовано устанавливать частоту вращения барабана равной (0,4—0,8)nкр причем нижний предел рекомендован для летнего времени, а верхний — для отрицательных температур. Указанный диапазон частот объясняется тем, что
взаимодействие поленьев между собой и со стенками барабана, а также
усилия сжатия, сдвига и ударная нагрузка с повышением скорости вращения барабана увеличиваются до определенного значения. При переходе с каскадного к водопадному режиму ударная нагрузка и усилие
сжатия продолжают возрастать, а усилия сдвига резко уменьшается, что
отрицательно сказывается на процессе окорки. Кроме того, при ударном
(водопадном) режиме значительно возрастут потери здоровой древесины в результате скалывания ее вдоль и поперек волокон [44].
К числу важных выводов диссертационной работы В. Я. Матюнина
наряду с определенными им рациональными режимами окорки отнесем следующие: рациональная частота вращения барабана (0,4—0,8)nкр ,
причем нижний предел рекомендован для летнего времени, а верхний —
для отрицательных температур; мощность барабана пропорциональна
его диаметру в степени 2,5 и длине; коэффициент загрузки барабана рекомендован в пределах 0,55—0,60; при увеличении числа оборотов с 0,4 до
0,8nкр продолжительность обработки увеличивается осенью на 35—50 %,
зимой на 25—40 %; при подогреве древесины зимой продолжительность
окорки и потери древесины можно сократить в 2—3 раза.
К сожалению, в своих работах В. Я. Матюнин не рассматривал возможность повышения эффективности процесса окорки за счет установки на внутренней поверхности барабана интенсификаторов.
Исследования кинетики процессов окорки древесного сырья в барабанах непрерывного действия [43], проведенные в ВНПОбумпроме также
показали, что основным фактором, определяющим интенсивность процесса окорки, является характер движения и взаимодействия древесины
в барабане. Опыты, проведенные с использованием барабана диаметром
1,2 м, длиной 6 м и частотой вращения, регулируемой от 2,5 до 7 мин–1,
показали, что с увеличением скорости вращения барабана в 2,5 раза производительность по чистоокоренной древесине увеличилась в 1,5 раза.
В то же время, как отмечено этими же авторами [43], по результатам исследований на экспериментальной установке, рост производительности
при увеличении скорости вращения барабана имеет свой предел. По данным [43], с увеличением частоты вращения барабана более (0,45—0,65)nкр
бревна отрываются от сегмента заполнения, описывая параболические траектории, что приводит к нарушению движения, перемещения
48
и трения бревен и ухудшает процесс окорки. Исходя из изложенного для
окорки короткомерной древесины в работе [43] приведен график, согласно которому для барабанов диаметром 2, 3, 4, 5, и 6 м рекомендуются соответственно частоты вращения, равные 20, 14, 10, 8 и 6 мин–1.
Теоретические и экспериментальные исследования процесса сухой
барабанной окорки древесины выполнены Г. А. Крыловым [38], [39].
Экспериментальные исследования проводились с использованием
барабана КБ-3. При исследовании механики процесса сухой барабанной окорки сделан вывод о том, что в сухих барабанах эффективные
давления и соответственно силы трения недостаточны для удаления
коры с окариваемой древесины [39]. В связи с этим, такие барабаны
необходимо снабжать коронадрезающими ножами.
В числе важнейших научных результатов Г. А. Крылова следует
выделить следующие: с увеличением скорости вращения барабана до
величины, равной 80—85 % от критической, скорости движения лесоматериалов становятся более интенсивными, а затем увеличения
интенсивности движения не происходит, так как центробежные силы
с увеличением скорости вращения возрастают и стремятся прижать
чураки к внутренней поверхности барабана; при скорости барабана,
близкой к критической, все чураки в барабане уравновешиваются
центробежными силами [38], [39].
Оптимальной, по данным исследований, является загрузка барабана на 50—60 % его геометрического объема. Целесообразна обработка
партий древесины с одинаковой влажностью. При этом продолжительность окорки при влажности коры 60 % — 40—60 мин, 60—100 % —
30—40 мин, свыше 100 % — 15—25 мин. Эти партии необходимо подсортировывать перед окоркой по длине на две группы: до 1 м и свыше 1 м,
по диаметру на три группы: до 16, 16—24 см и свыше 24 см [38], [39].
Профессор С. П. Бойков в работе [10] описал процесс групповой
окорки при помощи вероятностных методов, выведенная им формула
математического ожидания качества окорки имеет вид:
MK
b 1 Ot i º
ª
100 ˜ «1 e Ot ¦
» ,
«¬
i 0 i! »¼
где λ — среднее количество ударов, получаемых одним участком коры
за единицу времени, или интенсивность соударений;
t — время окорки;
b — количество ударов, необходимых для полной окорки участка.
49
В построенной им математической модели процесса групповой
окорки многочисленные факторы, характеризующие параметры барабана и режима его работы, сведены к двум показателям: количеству
и силе ударов, получаемых каждым бревном за единицу времени. При
этом параметры сырья характеризуются количеством повторяющихся ударов, получаемых участком бревна, необходимых для полного
отделения участка коры. С учетом стохастичности процесса удары,
получаемые поленьями, рассмотрены как независимые повторяющиеся испытания по схеме Бернулли. При этом количество ударов,
получаемых поленом, пропорционально времени нахождения его во
вращающемся барабане.
Таким образом, мы видим, что в математическую модель, предложенную профессором С. П. Бойковым, параметры сырья и окорочного оборудования входят лишь косвенно, через коэффициенты λ и b,
что не позволяет установить оптимальные параметры процесса окорки для конкретного оборудования при обработке лесоматериалов
определенных размеров.
3.2. Поиск и обоснование технических
решений, повышающих эффективность
режимов групповой окорки древесного сырья
Проведенное исследование известных конструкций окорочных барабанов и особенностей их работы показало, что современный уровень развития техники в отношении групповой окорки лесоматериалов еще нельзя считать достаточным, а для создания перспективных
технологических процессов и технических систем не хватает научно
обоснованных технических решений, соответствующих современным техническим и экологическим требованиям и потребностям отрасли, для этого требуется новый подход к теоретическим вопросам
в области очистки древесины от коры.
В результате исследования установлено, что очистка древесины
в корообдирочном барабане осуществляется за счет механического
взаимодействия при соударениях бревен друг с другом и с элементами корпуса барабана в процессе его вращения вокруг продольной оси.
50
Эффективность такого процесса зависит от соотношения размеров
барабана и обрабатываемого сырья, их влажности и температуры, от
скорости вращения, степени заполнения барабана и других факторов. Очевидно, учет этих факторов необходим при разработке рекомендаций по совершенствованию технологии окорки. Влияние этих
факторов на характеристики технологического процесса, безусловно,
требует проведения натурных испытаний. Однако по техническим
и экономическим условиям проведение таких испытаний возможно
в ограниченном диапазоне конструктивных и технологических характеристик. В этой связи становится не только целесообразным, но и необходимым применение соответствующих математических моделей
и современной вычислительной техники. Анализ многих известных
публикаций по проблеме окорки, показал, что известные математические модели недостаточно эффективны, в связи с чем, актуальными
становятся задачи по их совершенствованию или по разработке новых моделей [70].
При вращении барабана бревна, опирающиеся друг на друга и на
внутреннюю поверхность барабана, поднимаются вверх, затем, достигнув некоторой высоты, перемещаются вниз, соударяясь друг
с другом и с корпусом барабана. В результате динамического взаимодействия происходит отделение коры. Выполненными исследованиями [12] установлено необходимое число соударений. Это число зависит
от породы древесины, толщины коры и диаметра бревна, влажности,
температуры и других факторов. Как меньшее, так и большее число
соударений ухудшают показатели процесса окорки. Меньшее число
соударений на выходе технологического процесса снижает качество
продукции, а большее число соударений лишь увеличивает затраты
энергии и других ресурсов, снижая производительность и не улучшая
при этом качество очистки. Отсюда, очевидно, следует необходимость
подбора таких конструктивных и технологических характеристик
оборудования, которые обеспечивали бы, как минимум, число соударений, равное указанному выше.
В опытах с корообдирочным барабаном при достаточно большом
числе древесных заготовок весьма сложно определить число соударений каждой заготовки. В этих условиях определенную практическую
ценность представляют данные, которые могут быть получены с применением математического моделирования. Теоретические аспекты
моделирования систем с механическими соударениями и решения
51
ряда задач с применением аналитических методов рассмотрены, например, в книге [32]. Как известно, аналитические решения могут быть
получены для весьма ограниченного класса задач, имеющих, теме
не менее, важное практическое значение, поскольку эти задачи используются, например, в качестве тестовых при верификации математических моделей, разработанных с применением численных методов.
Применительно к моделированию рассматриваемого технологического процесса целесообразно применение численных методов, что
объясняется сложностью объекта исследования. С учетом особенностей прикладной задачи при построении математической модели
целесообразно использование метода дискретных элементов и метода
конечных разностей. Необходимость учета односторонних ограничений на взаимные перемещения деформируемых тел при соударениях
существенно усложняет задачу в вычислительном отношении.
Материалы, изложенные в работе [15], [48] подтверждают целесообразность использования метода дискретных элементов при моделировании процесса групповой барабанной окорки древесного сырья.
Изучение данного вопроса показало, что достаточно эффективная
математическая модель для решения задач рассматриваемого класса
может быть построена с использованием и адаптацией алгоритмов,
в которых исходная проблема формулируется как задача квадратичного программирования или интерпретируется как линейная задача
дополнительности [34]. В этом случае модель позволяет прогнозировать траекторию движения каждого отдельно взятого бревна как
деформируемого тела, число соударений и силы их динамического
взаимодействия друг с другом и с корпусом барабана, а также силы
динамического взаимодействия корпуса барабана с опорами и с другими элементами технологического оборудования [70].
3.3. Теоретический анализ перемещения
древесины в окорочном барабане
Существует несколько представлений о физической сущности
процесса групповой барабанной окорки [44], [67].
Рассмотренный ниже подход основан на идеях и исследованиях,
сформулированных и проводимых под руководством профессора
52
И. Р. Шегельмана [67], [69], [71], [77], [78], [80] с учетом положений,
сформулированные профессором С. П. Бойковым [9], [10].
Перемещение древесины внутри барабана следует рассматривать
как послойное перемещении (рис. 3.1), при котором траектория движения отрезков древесины будет определяться формой внутренней
поверхности барабана и поверхностью обрушения. Внешний слой
древесины, примыкающий к внутренней поверхности барабана, вовлекается в движение в результате взаимодействия с рабочими органами барабана, а также за счет сил трения между отрезками древесины и внутренней поверхностью барабана. Соседние слои древесины
вовлекаются в движение за счет межслойных сил трения.
При рассмотрении теории групповой барабанной окорки сделаем
допущение о том, что хаотическое перемещение бревен из одного слоя
в другой не нарушает общего баланса древесины в слоях, благодаря
чему суммарное количество движения слоя и его энергия остаются
постоянными.
Рис. 3.1. Схема перемещения отрезков древесины в окорочном барабане
В рассматриваемой системе решающее влияние на процесс окорки
оказывает сила веса вышерасположенной древесины, если ее проекция на направление перемещения отлична от нуля. Поскольку между
взаимодействующими соседними слоями отрезков древесины возникают силы трения, то замедление перемещения внутреннего слоя относительно наружного целесообразно характеризовать коэффициентом
53
смещения (Ki, i + 1), величина которого определяется скоростями соседних слоев древесины:
K i, i 1
ȣi ȣi 1
,
ȣi
где υi и υi + 1 — скорости перемещения соседних слоев древесины.
Так как слой состоит из определенного количества отрезков древесины (рис. 3.1), то скорость слоя можно рассматривать как среднюю
арифметическую скоростей составляющих его бревен
ȣi
ȣi 1
ȣ1,i ȣ2,i ȣ z,i §¨© ȣ2 \ ,i ȣ3\ ,i ȣ z \ ,i ·¸¹
z z\
;
ȣ1,i 1 ȣ2,i 1 ȣw,i 1 §¨© ȣ2\ ,i 1 ȣ3\ ,i 1 ȣw\ ,i 1 ·¸¹
w w\
,
где υ1,i , υ2,i , … , υz,i — скорости бревен i-го слоя правее первого отрезка;
υ2\,i , υ3\,i , … , υz\,i — скорости бревен i-го слоя левее первого отрезка;
υ1,i + 1 , υ2,i + 1 , … , υw,i + 1 — скорости бревен i+1-го слоя правее первого
отрезка;
υ2\,i + 1 , υ3\,i + 1 , … , υw\,i + 1 — скорости бревен i+1-го слоя левее первого
отрезка;
z — число бревен в i-ом слое правее первого отрезка;
z\ — число бревен в i-ом слое левее первого отрезка;
w — число бревен в i+1-ом слое правее первого отрезка;
w \ — число бревен в i+1-ом слое левее первого отрезка.
Поскольку в положении 1 (рис. 3.1) отсутствует составляющая нормальной реакции опоры, направленная параллельно внутренней поверхности барабана и определяющая величину замедления движения
древесины то, скорость бревна внешнего слоя, занимающего самое
нижнее положение, должна быть равна линейной скорости внутренней поверхности барабана.
Для расчета скоростей бревен во всех остальных точках внешнего
слоя заменим скорость бревна в положении 1 (рис. 3.1) (υ1) на линейную скорость внутренней поверхности барабана (υб ).
54
Скорости бревен в точках, справа от положения 1 (рис. 3.1) определяются кинематикой равнозамедленного движения и с учетом этого
описываются формулами:
ȣ 2,1
ȣ ɛ a12,1 ˜ t12,1 ;
ȣ 3,1
ȣ 2,1 a23,1 ˜ t 23,1 ;
ȣ j 1 j ,1 a j 1 j ,1 ˜ t j 1 j ,1 ,
ȣ j ,1
(3.1)
где t1—2,1 , t2—3,1 , … , t(j–1)—j,1 — время перемещения бревна из положения
1 в 2, из 2 в 3, …, из j–1 в j;
j — количество бревен во внешнем слое справа от первого отрезка;
a1—2,1 , a2—3,1 , … , a(j–1)—j,1 — ускорения бревен между положениями 1—2,
2—3, … , (j–1)—j.
Скорости бревен в точках, находящихся слева от положения 1
(рис. 3.1), определяются кинематикой равноускоренного движения
и с учетом этого описываются формулами:
ȣ 2\ ,1
ȣ ɛ a2\ 1,1 ˜ t 2\ 1,1 ;
ȣ 3\ ,1
ȣ 2\ ,1 a3\ 2\ ,1 ˜ t3\ 2\ ,1 ;
(3.2)
ȣ j \ ,1
ȣ j \ 1,1 a j \ j \ 1,1 ˜ t j \ j \ 1,1,
где t2\—1,1 , t3\—2\,1 , … , tj\—(j\–1),1 — время перемещения бревна из положения 2\ в 1\, из 3\ в 2\, … , из j\ в j–1\;
j\ — количество бревен во внешнем слое слева от первого отрезка;
a2\—1,1 , a3\—2\,1 , … , aj\—(j\–1),1 — ускорения бревна между положениями
2\—1, 3\—2\, … , j\—(j\–1).
Величины ускорений, входящие в выражения (3.1), (3.2), определим
по известной из источника [41] формуле:
a z ,i
F
1,i
˜ cos ȥ i F1,i ˜ P ˜ sin ȥ i N 2,i ˜ cos ȥ i N 2,i ˜ P ˜ sin ȥ i N 3,i ˜ P ˜ cos ȥ i N 4,i ˜ P ˜ sin ȥ i M z ,i ˜ g ˜ sin\ i / m zi ,
55
где az,i — ускорение z бревна в i слое;
F1,i — сила, с которой нижележащее бревно воздействует на z бревно
и обеспечивает передачу движения от нижнего слоя к верхнему;
μ — коэффициент трения бревен друг по другу;
N2,i — нормальная реакция опоры соседнего нижнего бревна;
N3,i , N4,i — нормальные реакции опоры z бревна на действие вышележащей древесины;
Mz,i · g — сила веса, действующая на z бревно со стороны вышележащих бревен;
g — ускорение свободного падения;
ψi — угол между линиями, соединяющими центры масс z и соседних
с ним бревен;
mz,i — масса z бревна в i слое.
Промежутки времени, входящие в выражения (3.1), (3.2) неизвестны,
для их определения используем законы кинематики равнопеременного
движения. Запишем уравнения для определения величины бревен из
положения 1 в 2 (2\—1) из 2 в 3 (3\—2\), … , из j–1 в j(j\—(j\–1)):
l12,1
ȣ ɛ ˜ t12,1 a12,1 ˜ t122,1
;
2
a23,1 ˜ t 223,1
;
l 23,1 ȣ 2,1 ˜ t 23,1 2
a
˜t2
l j 1 j ,1 ȣ j 1,1 ˜ t j 1 j ,1 j 1 j ,1 j 1 j ,1 .
2
a2\ 1,1 ˜ t 22\ 1,1
l 2\ 1,1
ȣ 2\ ,1 ˜ t 2\ 1,1 l3\ 2\ ,1
ȣ3\ ,1 ˜ t3\ 2\ ,1 2
l j \ j \ 1,1
56
;
a3\ 2\ ,1 ˜ t32\ 2\ ,1
ȣ j \ ,1 ˜ t j \ j \ 1,1 2
(3.3)
;
a j \ j \ 1,1 ˜ t 2j \ j \ 1,1
2
.
(3.4)
Решая уравнения (2.3)—(2.4), определим время перемещения бревна:
t 12,1
t 23,1
ȣ ɛ ȣ ɛ2 2 ˜ a12,1 ˜ l12,1
a12,1
ȣ 2,1 ȣ 22,1 2 ˜ a23,1 ˜ l23,1
a23,1
;
ȣ j 1,1 ȣ 2j 1,1 2 ˜ a j 1 j ,1 ˜ l j 1 j ,1
t j 1 j ,1
t 2\ 1,1
;
a j 1 j ,1
ȣ2\ ȣ22\ 2 ˜ a2\ 1,1 ˜ l2\ 1,1
t 3\ 2\ ,1
a2\ 1,1
(3.5)
.
;
ȣ3\ ,1 ȣ32\ ,1 2 ˜ a3\ 2\ ,1 ˜ l3\ 2\ ,1
a3\ 2\ ,1
;
(3.6)
t j \ j \ 1,1
ȣ j \ j \ 1,1 ȣ2j \ j \ 1,1 2 ˜ a j \ j \ 1,1 ˜ l j \ j \ 1,1
.
a j \ j \ 1,1
Последовательно подставляя выражения (3.5), (3.6) в уравнения
(3.1), (3.2), а также учитывая то, что в соответствии с расчетной схемой
(рис. 3.1) бревно, перемещаясь из положения 1 в 2 (из 2\ в 1\), из 2 в 3
(из 3\ в 2\), … из j–1 в j (из j\ в j\–1), каждый раз проходит путь, равный
среднему диаметру обрабатываемых бревен (D), определим величину
скоростей бревен в первом слое:
ȣ 2,1
ȣɛ2 2 ˜ a1 2,1 ˜ D ;
ȣ3,1
ȣ 22,1 2 ˜ a2 3,1 ˜ D ;
ȣ j ,1
ȣ
2
j 1,1
2 ˜ a j 1 j ,1 ˜ D .
57
ȣ 2\ ,1
ȣ 3\ ,1
ȣ j \ ,1
ȣ ɛ2 2 ˜ a2\ 1,1 ˜ D ;
ȣ 22\ ,1 2 ˜ a3\ 2\ ,1 ˜ D ; 2
ȣ j \ 1,1 a j \ j \ 1,1 ˜ D.
Скорость первого слоя:
ȣ1
ȣ
ɛ
ȣ 2,1 ȣ j ,1 ȣ 2\ ,1 ȣ 3\ ,1 ȣ j \ ,1
j j\
.
Далее в аналогичной последовательности проведем расчеты для
2-го, 3-го и i-го слоев древесины. При этом для каждого последующего слоя древесины за скорость отрезка, находящегося в положении 1,
принимаем рассчитанную скорость предыдущего слоя древесины.
Так, для i-го слоя древесины будем иметь следующие скорости входящих в него отрезков:
ȣ 2,i
ȣ12,i 1 2 ˜ a12,i ˜ D ;
ȣ 3,i
ȣ 22,i 1 2 ˜ a23,i ˜ D ;
2
z 1,i
2 ˜ a z 1 z ,i ˜ D .
ȣ z ,i
ȣ
ȣ 2\ ,i
ȣ12,i 1 2 ˜ a2\ 1,i ˜ D ;
ȣ 3\ ,i
ȣ 22\ ,i 2 ˜ a3\ 2\ ,i ˜ D ;
2
ȣ z \ 1,i 2 ˜ a z \ z \ 1,1 ˜ D.
ȣ z \ ,i
Найденные значения скоростей слоев древесины позволяют определить коэффициенты смещения соседних слоев древесины и смещения первого слоя относительно внутренней поверхности барабана.
58
Установлено, что коэффициент смещения для различных слоев древесины находится в пределах 0,85—0,95.
Знание величины коэффициента смещения соседних слоев древесины позволяет определить работу сил трения, которая прямо пропорциональна величине этого смещения и таким образом оценить
эффективность окорки древесины.
Предложенная методика позволяет осуществлять количественную
оценку эффективности процесса окорки за счет сил трения, возникающих при послойном перемещении древесины, и дополнить исследования [67], [69], [71], [77], [78], [80].
3.4. Теория ударного взаимодействия
древесины при окорке
Как уже отмечалось выше, при работе окорочного барабана, находящиеся в нем отрезки древесины испытывают не только фрикционное, но и ударное взаимодействие. При этом удары набольшей силы
удары происходят когда отрезок древесины, двигаясь по траектории,
определяемой формой внутренней поверхности барабана, достигнув
своей наивысшей точки, попадает в плоскость обрушения, падает
вниз и ударяется о внутреннюю поверхность барабана, его рабочие
органы, соседние отрезки древесины.
В результате ударного взаимодействия происходит нарушение
связи коры с древесиной, ее разрыв. При этом интенсивность процесса окорки будет определяться силой удара. Исследованиями [10],
[12] установлено необходимое число соударений. Это число зависит
от породы древесины, толщины коры и диаметра бревна, влажности,
температуры и других факторов. Как меньшее, так и большее число
соударений ухудшают показатели процесса окорки. Меньшее число
соударений на выходе технологического процесса снижает качество
окорки, а большее число соударений лишь увеличивает потери древесины, затраты энергии и других ресурсов, снижая производительность и не улучшая при этом качество очистки. Отсюда, очевидно,
следует необходимость подбора таких конструктивных и технологических характеристик оборудования, которые обеспечивали бы, минимально необходимое число соударений для достижения заданного
качества окорки.
59
Известно, что показатели процесса окорки существенно зависят от
температуры сырья — летняя окорка и зимняя окорка. В связи с этим
для подбора оптимальных режимов работы окорочного оборудования
требуется понимание физической сущности процесса отделения коры
от древесины при положительной и отрицательной температурах.
Физическая сущность процесса окорки ударным способом заключается в том, что при ударе происходит ослабление силы сцепления
коры с древесиной и с каждым ударом эта связь коры и древесины
ослабевает, ослабление связи происходит до тех пор, пока не произойдет окончательная ее утрата, и вследствие чего, произойдет отделение
участка коры.
При движении отрезков древесины в окорочном барабане имеет
место стесненный удар [10], т. е. такой удар, при котором хотя бы на
одно из взаимодействующих бревен накладывается некоторая механическая связь. В рассматриваемом случае связь выражается во взаимодействии с внутренней поверхностью барабана и соседними отрезками древесины.
Параметры ударного взаимодействия древесины в окорочном барабане следует искать, анализируя поведение не только отрезков древесины, составляющих ударную пару, но и других, контактирующих
с ними, составляющих в совокупности некоторую механическую систему. Ввиду многообразия и сложности такой общей постановки целесообразно ограничиться вышесказанной задачей о стесненном ударе.
Поскольку перемещение отрезков древесины в окорочном барабане происходит в соответствии с законами классической механики,
а возникающие ударные силы характеризуются кратковременностью
интервала времени их действия и значительной величиной, то координаты перемещающихся отрезков древесины за время удара не изменяются, скорости получают конечные приращения. Такое взаимодействие характерно для упругих твердых тел [32].
В этом случае мерой ударной силы F служит ее интегральная характеристика — ударный импульс I , который определяется по известной формуле:
t0 IJ
I
³ F (t )dt (3.7)
t0
где t0 , t0 + τ — интервал времени, в течение которого действует сила.
60
Величина ударной силы будет определять ускорения, с которыми
движутся взаимодействующие отрезки древесины. Мерой изменения
скоростей вследствие удара служит ударный импульс, рассчитываемый по формуле (3.7).
В данном исследовании рассмотрены два типа взаимодействия
коры и древесины: первый — взаимодействие древесины при положительной температуре или «мягкое» взаимодействие; второй — взаимодействие мороженой древесины при отрицательной температуре, или
«жесткое» взаимодействие.
В качестве модели «мягкого» взаимодействия рассмотрим систему двух тел, соединенных упругими волокнами пренебрежимо малой
массы (рис. 3.2). Такое взаимодействие допускает относительное перемещение тел.
В качестве модели «жесткого» взаимодействия (рис. 3.3) рассмотрим систему двух тел, соединенных жесткими волокнами пренебрежимо малой массы, оно характеризуется возникновением значительных усилий, которые приводят к деформации.
В случае «мягкого» взаимодействия внутренняя сила R12, отражающая попарное взаимодействие тел, направлена вдоль прямой, соединяющей центры масс тел, а ее величина является линейной функцией
расстояния между ними [32]:
R12
ɋ l x1 x2 (3.8)
где C — жесткость соединительных волокон;
l — длина волокон в ненапряженном состоянии;
x1 и x2 — координаты коры и непосредственно древесины.
При этом вследствие третьего закона Ньютона:
R12
R 21
(3.9)
Допустим, что в начальный момент времени система находится
в равновесии, а затем к телу массой m1 прикладывается ударная сила
F, равная I IJ в интервале времени t  0, IJ и нулю вне этого интервала. В этом случае уравнения движения тел в соответствии со вторым
законом Ньютона будут иметь вид:
m1 x1 F R21 ;
m2 x2 F R12 .
(3.10)
61
С учетом формул (3,7), (3,8), (3,9) уравнения (3.10) примут вид:
m1 x1
m2 x2
I
ɋ l x1 x2 ;
IJ
C l x1 x2 .
(3.11)
Рис. 3.2. Расчетная схема «мягкого» взаимодействия
Рис. 3.3. Расчетная схема «жесткого» взаимодействия
В силу сделанных предположений начальные значения переменных (при t = 0) задаются равенствами:
­ x1 0 ° x 0 ° 2
®
° x1 (0)
°¯ x 2 0 62
0;
d;
0;
0.
(3.12)
Система выражений (3.11), (3.12) линейна и допускает явное аналитическое решение, которое в интервале (0; τ) имеет вид:
x1
§ t 2 m2 1
·
m
I
¨¨ 2 2 2 cosT ¸¸;
IJm1 m2 © 2 ɋ k
m1k
¹
x2
§ t2 1
·
I ˜d
1
¨¨ 2 2 cosT ¸¸.
IJm1 m2 © 2 k
k
¹
где θ — степень сопротивления элемента коры удару;
k — циклическая частота колебаний.
Степень сопротивления элемента коры удару определяется формулой:
θ = k · τ.
(3.13)
Частота колебаний определяется формулой [30]:
k2
C m1 m2 .
m1 ˜ m2
(3.14)
К моменту окончания удара t = τ координаты получают приращение
порядка τ, а для скоростей будут справедливы следующие выражения:
x1 IJ x1 IJ, T x 2 IJ x 2 IJ, T § m2 sin T ·
I
¨1 ¸;
˜
m1 m2 ¨© m1 T ¸¹
I
§ sin T ·
¨1 ¸.
m1 m2 ©
T ¹
(3.15)
Выражения (3.15) есть решение прямой задачи — воздействие удара на систему тел. Анализируя его, можно прийти к выводу, что конечный результат определяется величиной θ, которая согласно формулам
(3.13), (3.14) находится в прямой зависимости от жесткости коры.
Изучим поведение функций (3.15) для фиксированного k при
  0.
В предельном случае при   0 , который соответствует «мягкому»
взаимодействию древесины при положительной температуре, имеем:
lim x1 W , T |
T o0
I
;
m1
lim x 2 W , T 0.
T o0
63
В этом случае скорости коры и древесины различны, следовательно, происходит процесс отделения коры от древесины — окорка.
Другой предельный случай    соответствует «жесткому» взаимодействию мороженой древесины (см. рис. 3.3):
lim x1 IJ, T lim x 2 IJ, T |
T of
T of
I
.
m1 m2
(3.16)
Выражение (3.16) показывает, что скорости коры и древесины одинаковы, следовательно, отделение коры от древесины не происходит.
Физический смысл решения (3.16) ясен из рассмотрения схемы
(рис. 3.3) «жесткого» взаимодействия при помощи жесткой связи длиной l, которая накладывает жесткое ограничение на скорости коры
и древесины, что затрудняет окорку мороженой и засохшей древесины.
Приведенный теоретический анализ позволяет объяснить, используя теорию ударного взаимодействия, сущность процесса окорки
свежесрубленной древесины при положительной температуре, а также мороженой и засохшей древесины. Выражения (3.15) есть решение
прямой задачи — воздействие удара на систему тел.
Полученная аналитическая зависимость (3.15), описывающая физическую сущность процесса отделения коры от древесины при положительной и отрицательной температурах показала, что процесс
отделения коры от древесины зависит от степени сопротивления элемента коры удару, которая определяется формулой (3.13) и согласно
формуле (3.14) находится в прямой зависимости от жесткости коры,
оказывающей влияние на условный предел прочности коры на скалывание по камбиальному слою численные значения которых были
установлены в результате проведенных экспериментальных исследований [12] и представлены в разделе 1.3.
3.5. Функционально-технологический
анализ окорочных барабанов
С целью поиска новых технических решений по совершенствованию конструкции окорочных устройств барабанного типа
и подбора оптимальных режимов их работы основе методологии
функционально-технологического анализа, сформулированной профессором И. Р. Шегельманом [75], [76], был проведен функционально64
технологический анализ, позволивший модернизировать матрицу
развития окорочных барабанов, предложенную в работах [75], [76].
Модернизированная матрица развития окорочного барабана,
представленная на рисунке 3.4, получена на основе детального изучения существующих конструкций окорочных установок и собранной
за всю историю развития окорочного оборудования патентной информации [13].
Рис. 3.4. Модернизированная матрица развития окорочных барабанов
На рисунке 3.4 используются следующие обозначения:
1 — улучшение показателей процесса окорки:
1.1 — предварительная подготовка древесного сырья: 1.1.1 — механическое разрушение коркового слоя коры; 1.1.2 — разрушение коры
65
путем химического воздействия; 1.1.3 — насыщение влагой; 1.1.4 —
размягчение (разрушение) коры с использованием физических явлений (токами высокой частоты, волнами сверхвысокой частоты, ультразвуком и т. п.);
1.2 — сочетание различных способов окорки: 1.2.1 — механической
и одного или нескольких видов окорки с использованием физических
явлений (токов высокой частоты, волн сверхвысокой частоты, ультразвука и т. п.); 1.2.2 — механической и пневматической окорки; 1.2.3 —
механической и гидравлической окорки; 1.2.4 — механической при
воздействии водяного пара; 1.2.5 — механической в сочетании с химической; 1.2.6 — механической с использованием электромагнитных
явлений; 1.2.7 — механической с использованием наполнителя в виде
специальных элементов, смешиваемых с окариваемыми материалами;
1.3 — управление процессом окорки в зависимости от остаточного количества коры и степени повреждения древесины; 1.3.1 — выбор нужного режима работы в ручном режиме; 1.3.2 — автоматизация работы;
2 — совершенствование конструкции:
2.1 — опорные узлы; 2.1.1 — снижение динамических нагрузок;
2.1.2 — повышение долговечности; 2.1.3 — улучшение виброизоляции;
2.2 — элементы привода; 2.2.1 — повышение надежности; 2.2.2 —
увеличение показателей энергоэффективности; 2.2.3 — уменьшение
шума; 2.2.4 — уменьшение габаритных размеров; 2.3.5 — упрощение
эксплуатации;
2.3 — корпусные детали; 2.3.1 — снижение металлоемкости;
2.3.2 —повышение срока службы;
2.4. — рабочие органы: 2.4.1 — повышение срока службы; 2.4.2 —
повышение производительности; 2.4.3 — снижение потерь древесины;
2.4.4 — снижение трудоемкости замены и ремонта; 2.4.5 — снижение
затрат на ремонт;
3 — интенсификация окорки:
3.1 — активизирование перемещения обрабатываемого сырья друг
относительно друга; 3.1.1 — нарушение плоскости обрушения; 3.1.2 —
придание обрабатываемым лесоматериалам дополнительные перемещения (продольного, поперечного и др.); 3.1.3 — вращение секций
многосекционного барабана в разные стороны;
3.2 — увеличение частоты контактирования рабочих органов с сырьем; 3.2.1 — обеспечение перемещения рабочих органов относительно
66
барабана и сырья (продольное, поперечное, вращательное, колебательное); 3.2.2 — изменение упругости рабочих органов; 3.2.3 — изменение крепления рабочих органов (шарнирное, гибкое, свободное);
3.2.4 — изменение формы рабочих органов, ориентации, исполнения
(приводные, составные, с использованием дополнительных органов);
3.3 — изменение формы внутренней поверхности барабана; 3.3.1 —
изменение формы (окружность, многогранник, эллипс и др.); 3.3.2 —
изменение формы и размеров сечения по длине барабана; 3.3.3 — изменение упругости поверхности;
4 — расширение технологических возможностей:
4.1 — окорка с одновременных удалением сучьев;
4.2 — окорка с одновременной очисткой от древесной зелени;
4.3 — вовлечение в переработку тонкомерных деревьев;
4.4 — обработка деревьев большой кривизны.
5 — интенсификация удаления отходов:
5.1 — изменение формы и размеров технологических отверстий
для удаления отходов;
5.2 — измельчение отходов;
5.3 — использование в конструкции барабана специальных очистных устройств.
Представленная на рисунке 3.4 модернизированная матрица развития окорочных барабанов позволила определить направления совершенствования процесса групповой окорки лесоматериалов:
— активизация ударного и фрикционного взаимодействия, способствующая более интенсивному отделению коры при минимальных
повреждениях древесины;
— повышение надежности и эргономичности окорочного оборудования;
— возможность управления процессом окорки (степенью загрузки
барабана, скоростью вращения, временем обработки и др.) в зависимости от параметров обрабатываемых лесоматериалов, требуемой степени чистоты окорки и фактическим результатом данного
процесса;
— интенсификация процесса механической окорки в окорочном барабане за счет предварительной подготовки древесного сырья путем частичного разрушения коры или ее размягчения, а также за
счет ее интенсификации путем использования физических явлений (токов высокой частоты, ультразвука и др.) в дополнение к механическому способу окорки.
67
3.6. Расчет эффективного режима работы
окорочного барабана
Результаты исследования процесса послойного движения отрезков древесины в окорочном барабане, их взаимодействия друг с другом, с внутренней поверхностью барабана и его рабочими органами,
физической сущности процесса отделения коры от древесины при положительной и отрицательной температурах, представленные в работах [12], [70], [66], позволили получить аналитическую зависимость,
характеризующую зависимость времени окорки от параметров и режимов работы окорочного оборудования:
T
§
b1 a i
¨ 100 ˜ ¦
i 0 i!
ln¨
¨ 100 K
¨
©
·
¸
¸ ˜ ʌ ˜ D 2 ˜ L ˜ K ˜ 0,85 ˜ K ˜ K ɤ ˜ ȕ
ɡ
ɩ
ɛ
¸
100 2 ˜ S ,
¸
¹
(3.17)
4 ˜ a ˜ nɨɛ ˜ S ɷɥ. ɭɱ ˜ K ɩɨɪ ˜ D
где b — число ударов, необходимое для полной окорки элементарного
участка, расположенного на поверхности окариваемого бревна;
a — среднее количество ударов, получаемых одним элементарным
участком за все время обработки;
K — требуемое качество окорки, %;
Dб — внутренний диаметр барабана, м;
L — средняя длина обрабатываемых бревен, м;
Kз — коэффициент заполнения барабана;
Kп — коэффициент полнодревесности укладки бревен в барабане;
Kк — доля коры в общей биомассе ствола дерева, %;
β — угол динамического обрушения, рад;
nоб — частота вращения барабана, мин–1;
Sэл. уч — площадь элементарного участка, м2;
Kпор — коэффициент, характеризующий породу древесины;
D — средний диаметр обрабатываемых бревен, м.
Численные значения величин a, b, Sэл. уч были установлены в результате экспериментальных исследований [12].
68
Ограничения аналитической зависимости (1):
L Lɛ 0,4ɦ ;
D = 8…20 см; K < 100 %;
nоб < nкр ,
где Lб — длина окорочного барабана, м;
K — качество окорки; %;
nкр — критическая частота вращения, мин–1.
Аналитическая зависимость (3.17), характеризующая время очистки древесины от коры в установках для групповой обработки древесины, позволяет определить оптимально время окорки в зависимости
от требуемого качества, породы древесины, геометрических размеров
обрабатываемых бревен, параметров и режима работы окорочного
оборудования.
69
Зак л ючение
Окорка древесины достаточно сложный биомеханический процесс, эффективная реализация которого невозможна без учета всех
влияющих на него факторов.
Изучение древесины в коре как предмета труда при окорке является важной составляющей научно-исследовательской работы по поиску технических решений с целью улучшения показателей процесса
окорки, созданию нового, совершенствованию существующего окорочного оборудования, выбору научно-обоснованных режимов его
работы.
Установлено, что важнейшими эксплуатационными параметрами,
характеризующими древесину как предмет труда при окорке является величина толщины коры в зависимости от ее расположения от
комлевого среза, диаметра ствола, породы и физико-механические
свойства коры.
В результате научно исследовательской работы установлено, что:
— доля коры в общей биомассе дерева зависит от условий произрастания дерева, так, например, доля коры в общей биомассе ствола
дерева для реальных условий Республики Карелия при рубках
ухода у хвойных пород ниже, чем при сплошных рубках главного
пользования в древостоях европейской части страны (у ели на 1 %,
у сосны на 1,3 %), а у лиственных пород выше (у березы на 2,2 %,
у осины на 2,8 %). Следовательно, при выборе оптимального режима работы окорочного оборудования необходимо учитывать регион заготовки древесного сырья;
— для условий Республики Карелия при рубках ухода доля коры
в общей биомассе ствола дерева составляет: у лиственных пород
(березы, осины) доля коры составляет 16—18 %, что значительно
больше, чем у хвойных (ель, сосна) 10—11 %;
Проведенное исследование древсины как предмета труда при окорке позволило также установить и описать математическими уравнениями зависимость толщины коры дерева от диаметра ствола в коре
для четырех основных лесообразующих пород Республики Карелия.
Проведенное исследование позволило установить зависимость
показателей процесса окорки от различных физико-механических
свойств коры и выявить степень влияния того или иного фактора,
70
а также установить численные значения таких физико-механических
свойств коры как жесткость коры (таблица 1.3) и условный предел
прочности коры на скалывание по камбиальному слою для основных
лесообразующих пород республики Карелия (таблица 1.2).
Знание данных физико-механических свойств коры необходимо
для обоснованного выбора параметров окорочного оборудования
и режимов его работы.
При рассмотрении различных способов окорки следует отметить,
что поштучная окорка — малопроизводительный процесс, поэтому при больших объемах производства распространение получила
групповая окорка. Оборудование для групповой окорки древесины
широко используется в России и за рубежом при производстве щепы
целлюлозно-бумажного назначения.
Эффективность использования древесного сырья и качество готовой продукции во многом зависят от возможностей и способов окорки лесоматериалов.
Рассмотрены существующие конструкции окорочного оборудования, их возможности, характеристики и особенности. Анализ известных конструктивных и технологических решений в области очистки
древесины от коры и научно-исследовательских работ, проводимых
в области окорки лесоматериалов, показал, что уровень механизации
еще нельзя считать достаточным, т. к. окорка все еще остается одной
из наиболее трудоемких и энергозатратных операций лесозаготовительного и деревообрабатывающего производства. Дальнейшее совершенствование окорочного оборудования и применяемой технологии
требуют нового подхода ко многим теоретическим вопросам окорки
лесоматериалов. Это касается, прежде всего, отдельного рассмотрения с точки зрения изучения взаимосвязи коры и древесины и понимания физической сущности процесса отделения коры от древесины,
обоснования области применения традиционных и перспективных
способов окорки и основных параметров окорочного оборудования.
Среди всего многообразия существующего окорочного оборудования на крупных деревоперерабатывающих комбинатах, в том числе
и целлюлозно-бумажных, наибольшее распространение получил способ групповой механической окорки с использованием окорочных
барабанов.
Анализ результатов исследований в области очистки древесины от
коры с использованием окорочных барабанов показал, что в настоящее время недостаточно изучен процесс окорки ударным способом.
71
При изучении процесса групповой окорки древесины все исследователи рассматривали фрикционное взаимодействие лесоматериалов
между собой, происходящее в барабанах, но при этом не уделяли достаточного внимания изучению ударных процессов, которые происходят при перемещении отрезков древесины во время групповой
обработки в барабане и оказывают существенное влияние на процесс
окорки.
Исследование технологии групповой барабанной окорки позволило выявить особенности данного способа окорки. Установлено, что
работа барабана характеризуется послойным перемещением древесины, которая перемещается по траектории определяемой формой
внутренней поверхности барабана и плоскостью обрушения. При
этом отрезки древесины, находящиеся в слоях, стремятся сохранить
свое положение в этих слоях, и неинтенсивно переходят в смежные
слои. В итоге одни бревна постоянно находятся в зонах интенсивной
окорки, а другие — в зонах пассивной окорки. В результате не обеспечивается равномерная окорка находящихся в барабане бревен и,
соответственно, увеличиваются энергетические и финансовые затраты на процесс доведения обрабатываемого сырья до требуемого качества окорки. При этом повышается и степень повреждения древесины
у бревен, обрабатываемых в зонах интенсивной окорки. Установлено,
что разрушение коры и ослабление ее связи с древесиной при барабанной окорке происходит в основном за счет ударного взаимодействия отрезков древесины с внутренней поверхностью барабана, его
рабочими органами и другими отрезками древесины, а удаление коры
с поверхности лесоматериала происходит за счет фрикционного взаимодействия соседних отрезков древесины. При этом интенсивность
окорки будет определяться силой ударного взаимодействия отрезков
древесины и коэффициентом смещения соседних слоев древесины.
Установлено, что коэффициент смещения соседних слоев древесины, характеризующий фрикционное взаимодействие отрезков древесины находится в пределах 0,85—0,95.
На основании теоретических исследований получена аналитическая зависимость, которая позволила математическим путем описать
процесс перемешивания древесного сырья в окорочном барабане
с учетом послойного перемещения древесины.
Рассмотрены ударные процессы, происходящие в окорочном барабане, установлено, что физическая сущность процесса окорки ударным
72
способом заключается в том, что при ударе происходит ослабление
силы сцепления коры с древесиной, и с каждым ударом эта связь коры
и древесины ослабевает, ослабление связи происходит до тех пор, пока
не произойдет окончательная ее утрата, и вследствие чего, произойдет
отделение участка коры. Установлено, что процесс отделения коры от
древесины зависит от степени сопротивления элемента коры удару.
По результатам проведенных исследований выявлены зависимости
площади пятна окорки от ударного импульса и диаметра ствола дерева. Получена аналитическая зависимость (3.15), описывающая физическую сущность процесса отделения коры от древесины при положительной и отрицательной температурах, которая показала, что
процесс отделения коры от древесины зависит от степени сопротивления элемента коры удару определяемой формулой (3.13) и согласно формуле (3.14) находящейся в прямой зависимости от жесткости
коры, оказывающей влияние на условный предел прочности коры
на скалывание по камбиальному слою численные значения которых
были установлены в результате проведенных экспериментальных исследований.
Предложена методика выбора режима окорки, позволяющая осуществлять количественную оценку эффективности процесса отделения коры от древесины за счет сил трения, возникающих при послойном перемещении древесины и ударного взаимодействия отрезков
древесины.
В результате проведенного функционально-технологического анализа была получена инновационная матрица развития окорочных
барабанов, которая может быть использована при поиске новых технических решений по совершенствованию окорочного оборудования
барабанного типа и режимов его работы.
Предложенная математическая модель (3.17) зависимости времени окорки от требуемого качества окорки, породы древесины, параметров окорочного оборудования и параметров окариваемого древесного сырья, позволяющая рассчитать оптимальное время работы
окорочной установки может быть использована при выборе режима
работы окорочного барабана.
В заключение следует отметить, что многочисленные научноисследовательские работы, проводимые в области окорки лесоматериалов, позволили в основном механизировать этот процесс, однако
этот уровень механизации еще нельзя считать достаточным.
73
Для дальнейшего совершенствования окорочного оборудования
и применяемой технологии окорки необходимы научно обоснованные технические решения, соответствующие современным техническим, экономическим и экологическим требованиям и потребностям
отрасли, которые требуют нового подхода ко многим теоретическим
вопросам окорки лесоматериалов. Это касается, прежде всего, научнообоснованного выбора режимов работы окорочного оборудования
с учетом всех факторов на него влияющих.
Для совершенствования процесса окорки необходима его формализация в виде математической модели с критерием оптимизации —
качество окорки. В целевую функцию должны входить факторы, оказывающие влияние на параметры процесса окорки: способ окорки,
порода древесины, геометрические параметры окорочного оборудования и обрабатываемого сырья, период обработки, режимы работы
окорочного оборудования и т. д.
74
Список испол ьзованны х
источников
1. А. с. 1639963 СССР, МПК5 B27L1/00. Рабочий орган для очистки деревьев от сучьев и коры / И. Р. Шегельман, С. И. Попов,
Г. П. Паничев ; заявитель и патентообладатель Карельский
научно-исследовательский институт лесной промышленности. —
№ 4679942 ; заявл. 18.04.1989 ; опубл. 07.04.1991, бюл. 13.
2. А. с. 1722829 СССР, МПК6 B27L1/04. Окорочный станок / С. А. Васильев ; заявитель и патентообладатель Дальневосточный
научно-исследовательский институт лесной промышленности. —
№ 4784190 ; заявл. 22.01.1990 ; опубл. 30.03.1992, бюл. 12.
3. А. с. 392193 СССР, МПК6 D21B1/02. Способ отделения коры от древесины / Г. И. Торговников ; заявитель и патентообладатель Центральный научно-исследовательский и проектно-конструкторский
институт механизации и энергетики лесной промышленности. —
№ 1695459/29-33 ; заявл. 06.08.1971 ; опубл. 27.07.1973, бюл. № 32.
4. А. с. 41174 СССР, МПК6 B27L1/12, B27G3/00, B27G17/04. Корообдирный станок / С. Г. Серов ; заявитель и патентообладатель Серов С. Г. — № 141950 ; заявл. 09.02.1934 ; опубл. 31.01.1935.
5. А. с. 426833 СССР, МПК6 B27L1/04, B27L1/05, B27L1/14, B27G3/00.
Окорочный барабан / Б. М. Локштанов, А. А. Гусаров ; заявитель
и патентообладатель Всесоюзное научно производственное объединение целлюлозно-бумажной промышленности. — № 1840831 ; заявл. 27.10.1972 ; опубл. 05.05.1974, бюл. 17.
6. А. с. 627785 СССР, МПК5 A01G23/06, B27L1/00. Устройство для
отделения древесной зелени и коры от срубленных ветвей /
А. П. Александров, И. Р. Шегельман ; заявитель и патентообладатель Карельский научно-исследовательский институт лесной промышленности. — № 2487493 ; заявл. 23.05.1977 ; опубл. 15.10.1978,
бюл. 38.
7. А. с. 90112 СССР, МПК6 B27L1/00, B27L1/06, B27L1/12, A01G23/095.
Механизм с двухшарнирной цепной пилой для срезки сучьев
и окорки древесины / Б. А. Вахнеев, А. В. Рогозкин ; заявитель
и патентообладатель Вахнеев Б. А., Рогозкин А. В. — № 380441, заявл. 18.06.1948 ; опубл. 01.01.1950.
75
8. Архипов И. В., Власов В. А., Гейзер Ю. В., Хейн В. С. Интенсификация барабанной окорки балансов / И. В. Архипов, В. А. Власов,
Ю. В. Гейзер, В. С. Хейн // Бумажная промышленность, 1980. —
№ 9. С. 25.
9. Бойков С. П. Исследование процесса окорки лесоматериалов: Автореф. дисc. … доктора техн. наук. — Л. : ЛТА, 1980. — 40 с.
10. Бойков С. П. Теория процесса очистки древесины от коры. — Л. :
ЛГУ, 1980. — 152 с.
11. Брик М. И., Крылов Г. А. Переработка низкокачественной древесины и отходов лесозаготовок в окорочных барабанах (Обзор). —
М. : ВНИИПИЭИлеспром, 1978. — 37 с.
12. Васильев А. С. Обоснование технических решений, повышающих
эффективность режимов групповой окорки древесного сырья :
дис. … канд. техн. наук : 05.21.01. — Петрозаводск, 2004. — 148 с.
13. Васильев А. С. Технические решения, защищенные правоохранными документами Российской Федерации в отношении оборудования для окорки лесоматериалов / Инженерный вестник Дона.
Вып. 2. Ростов-на-Дону, 2012. — [Электронный ресурс] — Режим
доступа : http://ivdon.ru/magazine/latest/n2y2012/831/.
14. Васильев С. А. Испытания окорочных круглозвенных цепей / Лесная промышленность, 1992. Вып. 3.
15. Васильев С. Б., Колесников Г. Н., Никонова Ю. В., Раковская М. И.
Влияние локальной жесткости корпуса корообдирочного барабана на изменение силы соударений и величину потерь древесины / Ученые записки Петрозаводского государственного университета. Серия: Естественные и технические науки, 2008. Вып. 96.
С. 84—91.
16. Васильев С. Б., Колесников Г. Н., Никонова Ю. В., Раковская М. И.
Исследование закономерностей изменения силы соударений с целью снижения потерь при окорке древесины в барабан / Известия
Санкт-Петербургской лесотехнической академии : СПбГЛТА,
2008. Вып. 185. С. 195—202.
17. Газизов А. М. Совершенствование технологии роторной окорки
лесоматериалов путем оптимизации основных параметров процесса / Дис. На соиск. Уч. Степ. докт. техн. наук : 05.21.01. — Архангельск, 2011. — 287 с.
18. Газизов А. М., Григорьев И. В., Гумерова О. М. Анализ технических решений по повышению качества поштучной механической
76
19.
20.
21.
22.
23.
24.
25.
26.
27.
28.
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. Моделирование
процесса разрушения коры при окорке резанием // Известия
СПбГЛТА. 2010. № 193, С. 18—24.
Газизов А. М., Григорьев И. В., Гумерова О. М. Повышение качества
окорки лесоматериалов / Вестник Красноярского государственного аграрного университет. — Красноярский государственный
аграрный университет, 2009. Вып. 10. С. 132—140.
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.
Гаспарян Г. Д. Исследования процесса ультразвуковой окорки /
Вестник Красноярского государственного аграрного университета, 2007. Вып. 3. С. 216—221.
Гаспарян Г. Д. Обоснование процесса окорки лесоматериалов ультразвуком / Леса россии в XXI веке // Материалы первой международной научно-практической интернет-конференции. — Спб.,
2009. С. 167—169.
Гаспарян Г. Д., Адам И. А. Энергосберегающий способ окорки лесоматериалов [Электронный ресурс]. — Режим доступа : http://
symposium.forest.ru/article/2011/2_tehnology/word/Gasporyan.doc,
20.08.2012.
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. Совершенствование технологии окорки лесоматериалов резанием путем оптимизации основных параметров
процесса. Автореф. на соиск. уч. степ. канд. техн. наук : 05.21.01. —
Санкт-Петребург, 2011. — 20 с.
Гусров А. А., Штейн Е. М. Кинетика барабанной окорки древесины в целлюлозно-бумажном производстве // Химия и технология
бумаги. — Л. : ЛТА, 1984. — 164 с.
Егошин Е. В. Разработка технологии комплексного использования
отходов окорки древесины / Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук / Марийский государственный технический университет : Йошкар-Ола, 2008 — 20 с.
77
29. Житков А. В. Оборудование складов лесоматериалов. — М. : Лесная промышленность, 1965. — 558 с
30. Заболонь. [Электронный ресурс]. — Режим доступа : http://dic.
academic.ru/dic.nsf/dic_biology/1870, 10.08.2012.
31. Залегаллер Б. Г. Исследование процесса окорки древесины трением : Дисс. … канд. техн. наук. — Л. : ЛТА, 1941. — 279 с.
32. Иванов А. П. Динамика систем с механическими соударениям. —
М. : Международная программа образования, 1997. — 336 с.
33. Касанов И. У. Исследование процесса разрушения коры мерзлых
бревен перед окоркой. В сб. научн. трудов : комплексная переработка и использование древесины. — Химки, ЦНИИМЭ, 1983,
с. 78—83.
34. Колесников Г. Н., Раковская М. И. Анализ систем упругих и абсолютно жестких тел с односторонними связями как смешанная
линейная задача дополнительности / Вычислительная механика
деформируемого твердого тела. Труды междунар. конф. (Москва,
31 янв. — 2 февр. 2006). Т. 1. М. : МИИТ, 2006. С. 223—226.
35. Кора. [Электронный ресурс]. — Режим доступа : http://www.
jocelyngourvennec.com/2008/05/04/kora.html#, 10.08.2012
36. Корообдирочный барабан с каскадным расположением секции /
В. Б. Карасик, Ш. М. Гольдзеберг, В. И. Ерохин, В. М. Штейн // Бумажная промышленность. — 1985. — № 11. С. 30—31.
37. Крисько А. С. Повышение эффективности процесса окорки пиленых лесоматериалов гибкими рабочими органами : автореф.
дисс. … канд. техн. наук : 05.21.01. — Красноярск, 2003. — 20 с.
38. Крылов Г. А. Исследование процесса сухой барабанной окорки
древесины. Автореф. дис. … канд. техн. наук. — Л. : ЛТА, 1972. —
21 с.
39. Крылов Г. А. Механика процесса сухой барабанной окорки древесины. В кн. : Труды ЦНИИМЭ, сб. 124, 1872, С. 118—122.
40. Курицын В. Н., Палкин Е. В. Определение мощности при цеповой
окорке с малыми скоростями подачи / Лесоэксплуатация : сб .ст. —
Красноярск : СибГТУ, 2004. — Вып. 5. С. 173—177.
41. Лапатин А. Ю., Васильев А. С. Теоретический анализ процесса
перемешивания древесины в окорочном барабане / Современные
проблемы развития лесопромышленных производств : Науч. труды № 6 серия «Лесопромышленный комплекс». — Петрозаводск :
КРИА, 2001. С. 75—79.
78
42. Локштанов Б. М., Житков А. В., Трефилова Т. Ф. Окорка лиственных пород древесины и тонкомера в целлюлозно-бумажной промышленности. (Обзор). — М. : ВНИПИЭИлеспром, 1974. — 51 с.
(Бумага и целлюлоза).
43. Локштанов Б. М., Житков А. В., Трефилова Т. Ф. Сухая окорка
древесины в барабанах на предприятиях целлюлозно-бумажной
промышленности. (Обзор). — М. : ВНИПИЭИлеспром, 1976. —
53 с.
44. Матюнин В. Я. Исследования процесса подготовки короткомерной низкокачественной древесины в корообдирочных барабанах
для получения технологической щепы. Автореферат дисс … канд.
техн. наук. — М. : МЛТИ, 1973. — 24 с.
45. Матюнин В. Я. Повышение эффективности производства щепы
из низкокачественной древесины и древесных отходов : Обзорная
информация / ВНИПИЭИлеспром. — М., 1985. — 40 с. (Лесоэксплуатация и лесосплав)
46. Матюнин В. Я., Коперин Ф. И. Некоторые вопросы теории окорки
древесины в корообдирочных барабанах / Лесной журнал. — Архангельск, АЛТИ, 1972. С. 64—72.
47. Никишов В. Д. Комплексное использование древесины. — М. :
Лесная промышленность, 1985. — 264 с.
48. Никонова Ю. В. Обоснование конструктивно-технологических параметров корообдирочных барабанов с применением численного
моделирования динамического взаимодействия балансов : Автореф. дис. … канд. техн. наук. Петрозаводск, 2009. — 19 с.
49. Палкин Е. В., Курицын В. Н. Результаты исследования цеповой
окорки с промышленными скоростями подачи / Вестник Красноярского государственного аграрного университета, 2010. Вып. 10.
С. 152—155.
50. Пат. 2027587 Российская Федерация, МПК6 B27L3/00. Способ удаления коры с бревен и устройство для его осуществления / Лиса
Викари [FI], Марьяна Рятте [FI], Анне Кантелинен [FI] ; заявитель и патентообладатель Коне Ой (FI). — № 4894381/15 ; заявл.
26.12.1990 ; опубл. 27.01.1995.
51. Пат. 2050271 Российская Федерация, МПК6 B27L1/00. Рабочий орган сучкорезно-окорочной установки / С. А. Васильев ; заявитель
и патентообладатель Васильев Сергей Алексеевич. — № 5014175/15 ;
заявл. 29.10.1991 ; опубл. 20.12.1995.
79
52. Пат. 2078684 Российская Федерация, МПК6 B27L1/00. Передвижная окорочная установка / М. Н. Симонов, А. А. Волков,
С. М. Симонов, Г. В. Бородастов ; заявитель и патентообладатель
Научно-производственное малое предприятие «ПРОМЛЕС». —
№ 94042301/13 ; заявл. 25.11.1994 ; опубл. 10.05.1997.
53. Пат. 2123420 Российская Федерация, МПК6 B27L1/00. Способ
окорки лесоматериалов / В. Е. Оскерко, Ю. М. Федоров, П. В. Лукач, В. М. Крылов ; заявитель и патентообладатель Открытое акционерное общество Центральный научно-исследовательский
и проектно-конструкторский институт механизации и энергетики лесной промышленности. — № 97120912/13 ; заявл. 26.11.1997 ;
опубл. 20.12.1998.
54. Пат. 2173633 Российская Федерация, МПК7 B27L1/12. Цепь для
окорки бревен / Н. Е. Жук (RU) ; заявитель и патентообладатель Жук Николай Егорович (RU). — № 2000102723/13 ; заявл.
03.02.2000, опубл. 20.09.2001.
55. Пат. 2275299 Российская Федерация, МПК B27L1/00. Способ окорки лесоматериалов при помощи ультразвуковых волн / Г. Д. Гаспарян, В. А. Иванов, В. А. Князев, Е. В. Устюжанин ; заявитель
и патентообладатель Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Братский государственный технический университет». — № 2004115447/12 ; заявл.
21.05.2004 ; опубл. 27.04.2006, бюл. 12.
56. Пат. 2380222 Российская Федерация, МПК7 B27L1/00. Устройство сучкорезно-окорочное / В. А. Лозовой, Ю. П. Елистратов,
А. В. Никончук, П. Г. Елистратов, А. В. Гаргоц ; заявитель и патентообладатель Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Сибирский государственный технологический университет». — № 2008148422/12 ; заявл.
08.12.2008 ; опубл. 27.01.2010, бюл. 3.
57. Пат. 40946 Российская Федерация, МПК7 B27L1/06. Шлифопилоокорочник Шведова / А. И. Шведов ; заявитель и патентообладатель ГОУВПО Уральский государственный лесотехнический университет. — № 2004115532/22 ; заявл. 25.05.2004 ; опубл. 10.10.2004.
58. Пат. 91668 Российская Федерация, МПК A01G23/083. Комплекс
для удаления сучьев и коры с поваленных деревьев с последующей раскряжевкой / В. А. Лозовой , Ю. П. Елистратов, А. В. Никончук, П. Г. Елистратов, А. В. Гаргоц ; заявитель и патентообладатель
80
59.
60.
61.
62.
63.
64.
65.
66.
67.
68.
69.
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Сибирский государственный технологический университет». — № 2008151005/22 ; заявл. 22.12.2008,
опубл. 27.02.2010, бюл. 6.
Пигильдин Н. Ф. Окорка лесоматериалов за рубежом / Экспрессинформация : Зарубежный опыт / ВНИПИЭИлеспром. — М.,
1988. — 22 с. (Лесоэксплуатация и лесосплав; Вып. 12).
Пигильдин Н. Ф. Состояния и тенденции развития окорочного
оборудования / Обзорная информация / ВНИПИЭИлеспром. —
М. : 1989. — 48 с. (Механическая обработка древесины; Вып. 9).
Разумовский В. Г. Исследование процесса окорки лиственницы
в окорочных барабанах. Автореферат. — Л. : ЛТА, 1972. — 18 с.
Симонов М. Н., Торговников Г. И. Окорочные станки : Устройство
и эксплуатация. — М. : Лесная промышленность, 1990. — 182 с.
Симонов М. Н., Югов В. Г. Окорка древесины. М. : Лесная промышленность, 1972. 128 с.
Уголев Б. Н. Древесиноведение и лесное товароведение : Учебник. — М. : Экология, 1991. — 256 с.
Шапиро В. Я., Григорьев И. В., Гулько А. Е. Анализ методов расчета
параметров и обоснование математической модели разрушения
коры при групповой окорке древесины / Ученые записки Петрозаводского государственного университета. Серия : Естественные
и технические науки. — Петрозаводск : ПетрГУ, 2011. С. 92—96.
Шегельман И. Р. Анализ процесса групповой окорки при положительной и отрицательной температурах / И. Р. Шегельман,
А. С. Васильев, А. Ю. Лапатин // Известия высших учебных заведений. Лесной журнал. Вып. 2. Архангельск, 2012. — С. 65—69. —
Библиогр. : с. 69.
Шегельман И. Р. Комплексные исследования перспективных методов подготовки тонкомерной древесины к переработке на щепу /
Лесосечные, лесоскладские работы и транспорт леса : Межвуз. сб.
науч. трудов. — Л : СПбЛТА, 1999. С. 40—43.
Шегельман И. Р. Лесная промышленность и лесное хозяйство :
Словарь : 4-е изд., перераб. и доп. / И. Р. Шегельман. — Петрозаводск : Изд-во ПетрГУ, 2008. — 278 с.
Шегельман И. Р. Математические модели процессов подготовки
древесного сырья к переработке на щепу / Новые информационные технологии в ЦБП и энергетике : Материалы докл. III международной науч.-техн. конф. — Петрозаводск, 1998. C. 50—51.
81
70. Шегельман И. Р. Моделирование технологического процесса
очистки древесины в корообдирочном барабане с применением
метода дискретных элементов / И. Р. Шегельман, Г. Н. Колесников,
А. С. Васильев, Ю. В. Никонова // Известия Санкт-Петербургской
лесотехнической академии : вып. 184. СПб. : СПбГЛТА, 2008. —
С. 172—179.
71. Шегельман И. Р. Перспективные технические решения проблемы
освоения нетрадиционного древесного сырья / Разработка технологии и оборудования для освоения нетрадиционных ресурсов
древесного сырья : Сб. науч. Трудов / КарНИИЛП. — Петрозаводск, 1993. С. 13—20.
72. Шегельман И. Р. Создание и внедрение новых технических решений в лесной промышленности. — Петрозаводск : Карелия,
1988. — 56 с.
73. Шегельман И. Р. Технические решения проблемы повышения
эффективности подготовки древесного сырья к переработке на
щепу // КарНИИЛП. — Петрозаводск, 1995. — 69 с.
74. Шегельман И. Р. Функционально-технологический анализ техники для заготовки пневой древесины. Химки : ЦНИИМЭ. Рук. деп.
ВНИПИЭИлеспром 20.07.89, № 2542лб, 1989. — 24 с.
75. Шегельман И. Р. Функционально-технологический анализ: метод
формирования инновационных технических решений для лесной промышленности / И. Р. Шегельман. — Петрозаводск : Изд-во
ПетрГУ, 2012. — 96 с.
76. Шегельман И. Р. Функционально-технологический анализ: Методология и приложения. — М : ИПиИ, 2000. — 96 с.
77. Шегельман И. Р., Лапатин А. Ю. Моделирование процесса функционирования окорочной установки бункерного типа // Разработка техники и оборудования для освоения нетрадиционных
ресурсов древесного сырья : Сб. науч. трудов (под ред. И. Р. Шегельмана). — Петрозаводск : КарНИИЛП, 1993. С. 28—38.
78. Шегельман И. Р., Лапатин А. Ю. Оптимизация процесса окорки
древесины в сучкорезно-окорочной машине / Повышение эффективности подготовки биомассы дерева к переработке на щепу : Сб.
науч. трудов. — Петрозаводск : КарНИИЛП, 1997. С. 24—26.
79. Шегельман И. Р., Лапатин А. Ю. Теоретические и экспериментальные исследования параметров окорочных установок бункерного типа // Проблемы механизации лесной промышленности
82
80.
81.
82.
83.
и лесного хозяйства Карелии : Тез. докл. респ. науч.-практ. конференции. — Петрозаводск : КарНИИЛП, 1995. С. 39—40.
Шегельман И. Р., Лапатин А. Ю. Экспериментальные исследования процесса групповой очистки древесного сырья на лесосеке //
Проблемы механизации лесной промышленности и лесного хозяйства Карелии : Тез. докл. респ. науч.-практ. конференции. —
Петрозаводск : КарНИИЛП, 1995. C. 38—42.
Шегельман И. Р., Паничев Г. П. Новые установки для групповой обработки древесины / Экспресс-информация : Зарубежный опыт /
ВНИПИЭИлеспром. — М.,1987. С. 2—20. (Лесоэксплуатация и лесосплав; вып. 8).
Шегельман И. Р., Полежаев К. В., Васильев А. С. Анализ конструктивных и технологических особенностей оборудования для
групповой окорки лесоматериалов / Рукопись деп. в ВИНИТИ
28.05.1999, № 1700-В99. — 26 с.
Штейн Е. М. Повышение производительности окорочных барабанов за счет каскадного расположения секций. Автореф. дисс. …
канд. техн. наук. — Л. : ЛТИ ЦБП, 1984. — 15 с.
83
Научное издание
Васильев Алексей Сергеевич
Проблемно-ориентированные
исследования процессов
групповой окорки древесины
Монография
Компьютерная верстка Ю. С. Марковой
Отпечатано в авторской редакции
Подписано в печать 23.11.12. Формат 60 × 84 1/16
Бумага офсетная. Уч.-изд. л. 4,0. Тираж 50 экз. Изд. № 283
Федеральное государственное бюджетное образовательное
учреждение высшего профессионального образования
ПЕТРОЗАВОДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
Отпечатано в типографии Издательства ПетрГУ
185910, Петрозаводск, пр. Ленина, 33