CC BY
107
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
УДК 66.31.91; 68.85.35(39)
ВЛИЯНИЕ УГЛА СКОЛЬЖЕНИЯ НА УДЕЛЬНУЮ РАБОТУ РЕЗАНИЯ ДРЕВЕСИНЫ
Н.Ф. Баранов - д-р техн. наук, профессор; В.С. Фуфачев- канд. техн. наук, доцент; И.В. Ступин - аспирант, ФГБОУ ВПО Вятская ГСХА, Октябрьский пр-т, 133, Киров, Россия, 610017 E-mail: fuf.vs@mail.ru
Аннотация. Проанализированы литературные источники по вопросам использования древесины в качестве альтернативных энергоресурсов для сельскохозяйственного производства, результаты исследований влияния конструктивных факторов на рабочий процесс дисковых режущих аппаратов, позволяющих получать топливную щепу. Представлены зависимости для определения коэффициента скольжения, исходя из конструктивных параметров режущего аппарата. Приведена методика экспериментальных исследований рубительной машины РБ-750 с целью минимизации удельных энергозатрат процесса измельчения. По результатам эксперимента получены уравнения регрессии для определения оптимальных значений угла защемления и коэффициента скольжения.
Ключевые слова: рубительная машина, угол скольжения, угол защемления, коэффициент скольжения, удельная работа резания, критерий оптимизации.
Введение. Отечественное сельскохозяйственное производство на современном уровне развития характеризуется высокими затратами материальных, трудовых и энергетических ресурсов, превышающих зарубежные в 2.. .4 раза.
В последние годы наметилась тенденция к более широкому использованию в производстве и социально-бытовой сфере возобновляемых и вторичных местных энергоресурсов. Одним из источников таких энергоресурсов является древесина. В Европейской части РФ существенная часть лесных насаждений может быть реализована только в качестве дров. Выведенные из севооборота сельскохозяйственные угодья заросли мелколесьем и кустарниками, которые годятся либо на биомассу при рекультивации полей, либо на топливо [1,2,3].
В развитых странах использование биотоплива покрывает от 10 до 25% общей потребности в энергии [4,5,6], в России же не используются огромные запасы качественной
древесины и отходы её переработки. И прежде всего это касается сельскохозяйственного производства, наиболее остро нуждающегося в энергоресурсах. Сжигание древесины в теплогенераторах зерносушильных комплексов обеспечит экономию 12.18% углеводородного топлива. В зимний период крупным потребителем тепловой энергии является животноводческая отрасль для осуществления таких технологических процессов, как кормоприготовление, поение, доение животных и ряд других.
Сжигание древесины в виде щепы позволяет максимально механизировать транспортные и подготовительные операции и обеспечить автоматическую подачу топлива в зону горения.
Наиболее сложным и энергоёмким является процесс получения щепы необходимой крупности, который осуществляется руби-тельными машинами. При этом щепа должна иметь фракционный состав от 3 до 30 мм (в зависимости от вылета ножа) [7,8].
Поэтому разработка и оптимизация руби-тельной машины, обеспечивающей потребности сельскохозяйственного производства в топливной щепе из отходов лесопиления и деревообработки, является актуальной задачей.
Целью исследований является совершенствование рубительной машины РБ-750, выпускаемой предприятием ООО «Котельнич-ский механический завод» Кировской области, для снижения энергоемкости процесса измельчения.
Исследованию рабочего процесса плосковращательных режущих аппаратов посвящено значительное количество научных трудов. Теоретические основы для создания таких аппаратов наиболее обстоятельно выдвинуты академиком В.П. Горячкиным [9]. Дисковые рубительные машины для измельчения древесины относятся к аппаратам данного типа и имеют ножи, установленные радиально или со смещением от радиального положения на некоторый угол т, что обеспечивает резание со скольжением. При исследовании и расчете режущих аппаратов, наряду с другими параметрами, значительное внимание уделяется обоснованию значения угла скольжения т. В известных научных трудах по теории резания лезвием имеются разногласия и даже противоречия о влиянии т на энергетические показатели процесса.
По мнению В.А. Желиговского [10], при рубящем действии лезвия, то есть при т = 0°, удельная работа резания имеет наименьшее значение и медленно возрастает по мере увеличения т.
Исследованиями Н.В. Сабликова [11] установлено, что при малых значениях угла т удельная работа резания различных материалов незначительно увеличивается по сравнению с резанием при угле т = 0°, а затем при т от 30° до 70° наблюдается существенное снижение данного показателя.
Н.Е. Резник [12] экспериментальными исследованиями процесса резания стеблей кукурузы и лебеды со скоростью 18,6 м/с установил, что удельная работа резания с увеличением т до 25° снижается, а при дальнейшем увеличении угла скольжения носит возрастающий характер. Автор считает, что при резании толстого слоя материала увеличение силы резания с увеличением угла т обусловлено преодолением силы трения фаски лезвия за счет возрастающей площади контакта.
Таким образом, для конкретного исполнения режущего аппарата и его кинематического режима, а также вида измельчаемого материала энергоемкость процесса резания будет минимальной при определенных углах скольжения. При этом следует экспериментально установить значения этого параметра с учетом других характеристик режущего аппарата. Такими характеристиками являются: ширина в горловины (патрона) для подачи материала, величина смещения р (эксцентриситета) ножа относительно радиального положения, расстояние а от противорежущей кромки до оси вращения ножевого диска, минимальный г1 и максимальный г2 радиусы точек загруженной части лезвия, угол % защемления материала между лезвием и кромкой противорежущей пластины (рис. 1).
Рис. 1. Схема режущего аппарата с прямолинейными ножами
Представленные на рисунке 1 факторы связаны соотношением
, = £ = « = (1)
Задаваясь величиной коэффициента скольжения е в известных пределах [12] для обеспечения наклонного или скользящего резания можно определить значения таких конструктивных параметров режущего аппарата, как расстояние а от противорежущей пластины до оси вращения ножевого диска, итп и итах, определяющих ширину горловины Ь.
При построении схемы режущего аппарата необходимо задаться рядом ограничений:
Т > х; Umin = rmin; Хтах ^ Ч> 1 + Ч>2 [13]; где ф1 - угол трения (сцепления) материала о кромку ножа; ф2 - угол трения материала о противорежущую пластину.
Значение коэффициента скольжения s для выбранной точки загруженной части лезвия рассчитывается из выражения
u-tg х+а
£ =
u-a-tgx
(2)
На рисунке 2 представлена зависимость £ = f (а) для выбранных условий: Хтах = 40°; d = 128 мм.
3,5 £ 3
2,5
1,5
0 10 20 30 40 50 60 70 а, мм 90
Рис. 2. Зависимость коэффициента скольжения s от величины смещения а
Из анализа расчетных значений следует, что данная зависимость может быть представлена полиномиальной моделью второго порядка вида:
£ = 0, 0 0 0 2 а2 + 0, 0 0 41 а + 0,9 2 65 . (3)
Из уравнения (3) следует, что эффект резания со скольжением возрастает с увеличением параметра а.
Методика. Исследования осуществляли на лабораторной установке, позволяющей определить силу резания за счет воздействия материала на противорежущую балку (рис. 3).
Для определения усилия и работы резания записывались нагрузочные диаграммы (рис. 4).
Измельчаемым материалом являлись сосновые бруски сечением 22х22 мм с относительной влажностью 10 и 30%. Измерения усилия резания Р во времени ^ осуществлялось с помощью двух тензорезисторных датчиков Т2-0, 1-С3 на которые опиралась противоре-жущая балка (рис. 3). В качестве регистрирующей аппаратуры использовался цифровой многоканальный самописец «S-Recoder-L» и персональный компьютер.
2
1
Рис. 4. Диаграммы записи процесса резания
Результаты. При совершенствовании рабочего процесса рубительной машины РБ-750 были проведены исследования по определению оптимальных значений таких факторов, как угол защемления х и угол скользящего резания т для известных значений параметров: расстояние а от противорежущей пластины до оси вращения ножевого диска а = 45 мм, величина смещения ножа от радиального положения (эксцентриситет) р = 128 мм.
Значениями радиус-вектора г, определяющего положение точки лезвия, задавались на трех уровнях: г1=180мм; г2=250мм; г3 = 320мм, что обеспечивало изменение угла скользящего
резания от 45 до 25°. При этом угол защемления изменялся от 34 до 18°.
Матрица плана, уровни факторов и результаты эксперимента представлены в таблице.
Опыты проводили на древесине различной влажности. В первой серии опытов среднее значение влажности составляло 10%, во второй - 30%.
В качестве критерия оптимизации выбрана удельная работа резания Арез.уд. кДж/м2.
Анализ полученных моделей регрессии (4) и (5) показывает, что наименьшая работа резания сухой древесины наблюдается при максимальном угле защемления % и коэффициенте скольжения е = 0,904.
У! = 3 2,0 49 - 8, 0 1 1X! + 5,2 9 6х2 + 0,5 9 5х2 + 0, 5 9 5х| + 0, 7 3 бх^; (4)
у2 = 2 8, 7 1 9 - 5,5 2Xi - 1, 70 5х2 + 2,0 0 3 х2 + 2, 0 0 3х2 - 0,7 0 2 хгх2. (5)
Таблица
Матрица плана 3 и результаты эксперимента
Обозначения Факто ры Критерии оптимизации
Х1 Х2 У1 У 2
х,° т,° Удельная работа резания Арез.уд. , кДж/м2 При W=10% Удельная работа резания Арез.уд. , кДж/м2 При W=30%
Уровни факторов: (+) (0) (-) 34 26 18 45 35 25
Опыты:
1 -1 -1 36,493 40,555
2 0 -1 27,746 28,860
3 1 -1 18,999 31,879
4 -1 0 41,053 37,579
5 0 0 31,255 27,966
6 1 0 25,031 24,621
7 -1 1 45,613 34,603
8 0 1 38,338 33,340
9 1 1 31,063 23,117
При резании древесины средней влажностью 30%, энергозатраты снижаются при увеличении углов х и т, причем в области эксперимента оптимальным значением является т = 41°, а дальнейшее увеличение т приводит к возрастанию удельной работы резания. Данному значению т соответствует коэффициент скольжения е = 1,130.
Выводы: 1. Проведенные исследования конструктивно-технологической схемы режущего аппарата дискового типа показывают, что для увеличения эффекта скользящего резания необходимо увеличивать расстояние от проти-ворежущей кромки до оси вращения диска;
2. Оптимальное значение угла скользящего резания составляет т = 41°, при удельной работе резания, не превышающей 24,5 кДж/м2.
Литература
1.Дмитроц В.А., Левин А.Б., Семенов Ю.П. Теплотехнический справочник инженера лесного и деревообрабатывающего предприятия / Под ред. А.Б. Левина. 2-е изд. М.: МГУЛ, 2002. 333с.
2. Левин А.Б., Семенов Ю.П., Суханов В.С. Древесина эффективная составляющая составляющая топливного баланса страны // Деревообрабатывающая промышленность. 2001. №4. С. 2-5.
3. Шегельман И.Р. Ресурсы биомассы дерева для производства технологической щепы // Сб. науч. трудов (Повышение эффективности процессов производства технологической щепы). Петрозаводск: КарНИИЛП, 1999. С. 3-12.
4. Banks CJ and other Particle size requirements for effective bioprocessing of biodegradable municipal waste : Technology Research and Innovation Fund Project Report, Defra TRIF Programme, report October 2008 - January 2010. р. 22.
5. Hakkila P. Developing technology for large-scale production of forest chips. Wood Energy Technology Programme 1999-2003 // Tekes Technology Programme Report. 2004. №6. 98 p.
6. Ladan J. Naimi and other Cost and Performance of Woody Biomass Size Reduction for energy Production : CSBE/SCGAB 2006 Annual Conference Edmonton Alberta, July 16-19, 2006. Paper № 06.107.
7. Коробов В.В., Рушнов Н.П. Переработка низкокачественного древесного сырья (проблемы безотходных технологий). М.: Экология, 1991. 288 с.
8. Михайлов Г.Н., Серов Н.А. Пути улучшения использования вторичного древесного сырья. М.: Лесная пром-сть, 1988. 224 с.
9. Горячкин В.П. Собрание сочинений / Под ред. Н.Д. Лучинского. Изд. 2-е. Т. 3. «Колос». 1968. С. 26-133.
10. Желиговский В.А. Экспериментальная теория резания лезвием. Труды МИМЭСХ. М. 1940. Вып. 9. 27 с.
11. Сабликов М.В. О критической величине угла защемления. // Механизация и электрификация социалистического сельского хозяйства. 1963, № 2. С. 44.
12. Резник Н.Е. Теория резания лезвием и основы расчета режущих аппаратов. М.: «Машиностроение», 1975. 311 с.
13. Мельников С.В. Механизация и автоматизация животноводческих ферм. Л.: Колос (Ленинградское отделение), 1978. 560 с.
INFLUENCE OF SLIDING ANGLE ON WOOD CUTTING PER-UNIT WORK
N.F. Baranov - Dr. Eng. Sci., Professor;
V.S. Fufachev - Cand. Eng. Sci., Associate Professor;
I.V. Stupin - Post-Graduate Student
Vyatka State Agricultural Academy
133 Oktyabrsky Prospect, Kirov, 610017, Russia
E-mails: fuf.vs@mail.ru.
ABSTRACT
References concerning use of wood as alternative energy resources for agricultural production, as well as results of research on influence of efficiency factors on working process of the disk cutting devices, allowing obtaining fuel spill, were analyzed. Dependences for determination of sliding coefficient, based on design data of the cutting device, are presented. The technique of pilot studies of the wood chipper RB-750 for the purpose to minimize specific energy consumption in the crushing process is given. Based on the results of the experiment, the regression equations for determination of optimum values of pinching angle and sliding coefficient were received.
Key words: wood chipper, sliding angle, angle of pinching, sliding coefficient, cutting per-unit work, optimization criterion.
References
1. Dmitrots V.A., Levin A.B., Semenov Yu.P. Teplotekhnicheskii spravochnik inzhenera lesnogo i derevoobrabatyvay-ushchego predpriyatiya (Thermal-technical guide for engineers of forest and wood processing enterprises), under ed. A.B. Levina. 2-e izd. M.: MGUL, 2002. pp.333.
2. Levin A.B., Semenov Yu.P., Sukhanov V.S. Drevesina effektivnaya sostavlyayushchaya toplivnogo balansa strany (Wood as effective component of fuel balance of the country), Derevoobrabatyvayushchaya promyshlennost'. 2001, No.4, pp. 2-5.
3. Shegel'man I.R. Resursy biomassy dereva dlya proizvodstva tekhnologicheskoi shchepy (Tree biomass resources for production of technological chipped wood), Povyshenie effektivnosti protsessov proizvodstva tekhnologicheskoi shchepy: Sb. nauch. trudov / KarNIILP. Petrozavodsk, 1999, pp. 3-12.
4. Banks C.J. et al. Particle size requirements for effective bioprocessing of biodegradable municipal waste : Technology Research and Innovation Fund Project Report, Defra TRIF Programme, report October 2008 - January 2010. p. 22.
5. Hakkila P. Developing technology for large-scale production of forest chips. Wood Energy Technology Programme 1999-2003 // Tekes Technology Programme Report. - 2004. - №6. - 98 p.
6. Ladan J. Naimi and other Cost and Performance of Woody Biomass Size Reduction for energy Production : CSBE/SCGAB 2006 Annual Conference Edmonton Alberta, July 16-19, 2006. Paper № 06-107
7. Korobov V.V., Rushnov N.P. Pererabotka nizkokachestvennogo drevesnogo yr'ya (problemy bezotkhodnykh tekhnologii) (Processing of low-quality woody coal (issues of non-waste technologies), M.: Ekologiya, 1991, pp. 288.
8. Mikhailov G.N., Serov N.A. Puti uluchsheniya ispol'zovaniya vtorichnogo drevesnogo syr'ya (Improvement ways of recyclable wooden row material). M.: Lesn. prom-st', 1988, pp. 224.
9. Goryachkin V.P. Sobranie sochinenii (Collected works), under ed., N.D. Luchinskogo. Izd. 2-e T. 3., «Kolos», 1968, pp. 26-133.
10. Zheligovskii V.A. Eksperimental'naya teoriya rezaniya lezviem. Trudy MIMESKh (Experimental theory of cutting with blade), issue 9, M., 1940, pp.27.
11. Sablikov M.V. O kriticheskoi velichine ugla zashchemleniya. Mekhanizatsiya i elektrifikatsiya sotsialisticheskogo sel'skogo khozyaistva (About critical value of pinching angle. Mechanization and electrification of socialistic agriculture), 1963, No. 2, pp. 44.
12. Reznik N.E. Teoriya rezaniya lezviem i osnovy rascheta rezhushchikh apparatov (Theory of cutting with blade and bases of calculating cutting equipment), M., «Mashinostroenie», 1975, pp.311.
13. Mel'nikov S.V. Mekhanizatsiya i avtomatizatsiya zhivotnovodcheskikh ferm (Mechanization and automatization of animal breeding farms), L.: Kolos. Leningr. otd-nie. 1978, pp. 560
