CC BY
50
ЭНЕРГООБЕСПЕЧЕНИЕ И ЭНЕРГОТЕХНОЛОГИИ
УДК 630 ГД. Гаспарян
ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССА УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ОКОРКИ
В статье исследовалось воздействие ультразвуковых волн на лесоматериал с целью его окорки, установлены оптимальные значения интенсивности ультразвука и частоты колебаний.
Целью экспериментальных исследований являлась качественная и количественная проверка математической модели ультразвуковой колебательной системы. Испытания проводились в лаборатории «Гидроэлектрооборудование лесных машин» Государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Братский государственный технический университет».
Исследования проводились по разным направлениям. Во-первых, это определение оптимальных характеристик ультразвуковой колебательной системы; во-вторых, исследование воздействия ультразвуковых волн на слои коры и древесину.
Экспериментальное исследование параметров ультразвуковой колебательной системы
Концентратор. Экспериментальное исследование параметров концентратора заключается в разработке конструкции концентратора с рациональной экспоненциальной составляющей поверхности для осуществления качественных показателей ультразвуковой (УЗ) окорки лесоматериала.
На рисунке 1 показана зависимость температуры камбиального слоя и коэффициента очистки коры от составляющих поверхностей экспериментальных концентраторов. Полученные кривые составляющих экспериментальных концентраторов можно аппроксимировать и описать в виде уравнений:
Rj = 20.003 • exp~0-007‘L;
R2 = 33.417 ■ exp~0MJhL;
R3 = 44.255 • exp~0Ш34'L;
3 (1) R4 = 59.117 ■ exp~°0j57‘L;
R5 = 76.004 • exp~a0j75'L;
R6 = 92.745 ■ exp~0Ш88'L.
По характеру воздействия ультразвуковых волн можно оценить их воздействие на обрабатываемый лесоматериал по двум параметрам: температура и условный коэффициент очистки ствола дерева от слоев коры. При проведении экспериментов каждый из этих параметров можно разбить на несколько зон.
Температуру t в камбиальном слое можно разбить на три зоны: зона пассивного воздействия ультразвуковых волн на камбиальный слой; зона кипения камбиального слоя; зона негативного влияния ультразвуковых волн на древесину. Условный оценочный коэффициент k степени удаления коры от древесины можно разбить на две зоны: зона очистки слоев коры от древесины и зона пассивного воздействия ультразвуковых волн на кору.
Диапазон исследований формы составляющей концентраторов определен наложением зон II и IV. Пунктирными линиями показан диапазон наиболее оптимальной для проведения исследований окорки лесоматериалов в зависимости от формы концентратора. Для выбора оптимальных параметров концентратора, а в частности, формы его составляющей, необходимо исследовать кривые в этом диапазоне.
Ь, мм
Концентратор №1 Концентратор №4
Концентратор №2 -Ж- Концентратор №3 Концентратор №5 Концентратор №6
Рис. 1. Зависимость температуры камбиального слоя , коэффициента очистки коры (к) и радиуса концентратора Н) от форм составляющих поверхностей экспериментальных концентраторов: I - зона пассивного воздействия ультразвуковых волн на камбиальный слой; II - зона кипения камбиального слоя; III - зона негативного воздействия ультразвуковых волн на древесину; IV - зона очистки древесины от слоев коры
Определив наиболее оптимальную составляющую, были построены графическая модель концентратора и его общий вид (рис. 2)
Рис. 2. Графическая модель и общий вид концентратора с оптимальной составляющей
Экспериментальное исследование параметров излучателя
Экспериментальные исследования параметров излучателя (рабочего инструмента) заключается в разработке ее конструкции с наиболее рациональной формой волновода, описывающей сегмент обрабатываемого материала.
Для выбора рациональной формы инструмента необходимо изготовить экспериментальные излучатели разных форм волновода и исследовать качество и параметры окорки. На рисунке 3 показана зависимость длины и высоты формы волновода.
а
о
О
£
§
о
о
2
03
♦ Излучатель №2
• Излучатель №1
Длина волновода I, мм Излучатель №3 * Излучатель №4
I Излучатель №5
Рис. 3. Зависимость высоты от длины формы волновода экспериментальных инструментов
Анализируя характеристики (табл.) процесса окорки лесоматериалов экспериментальными излучателями, можно выбрать наиболее рациональную форму волновода излучателя (рис. 4).
Характеристики процесса ультразвуковой окорки экспериментальными излучателями
Излуча- тель Участок I Участок II
Температура камбиального слоя t Т Оценочный коэффициент очистки 1<* Температура камбиального слоя t Т Оценочный коэффициент очистки 1<*
№1 125 1,2 125 1,5
№2 117 1,0 117 1,4
№3 105 1,0 105 1,0
№4 100 1,0 100 0,8
№5 100 1,0 100 0,7
Длина волновода I, мм
Рис. 4. Зависимость высоты от длины волновода рациональной формы излучателя
Поверхность рационального излучателя описывается формулой, полученной методом сингулярного разложения:
2
Н = С1 + ' I + С3 • I , (2)
где С1=5.5; С2=-0.14; сз=0,015.
Экспериментальное исследование процесса ультразвуковой окорки
При выполнении окорки лесоматериалов с помощью ультразвукового излучения возникает необходимость изучения непосредственно физических процессов, возникающих при воздействии ультразвуковых волн на слои коры.
На основе теоретического анализа и экспериментальных исследований определена физическая сущность процесса ультразвуковой окорки лесоматериалов. Процесс окорки состоит из двух этапов, основанных на кавитационном эффекте.
Для исследования воздействия ультразвуковых волн на элементы коры при окорке лесоматериалов обрабатываемый материал опускается в воду. Принцип заключается в следующем (рис. 5).
Из-за особенности конструкции излучателя, имеющего экспоненциальную рабочую поверхность (рис. 5,а), процесс ультразвуковой окорки лесоматериала состоит из двух зон. В зоне I малой амплитуды колебания (рис 5,б) ультразвуковая волна 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. В зоне II большей амплитуды колебания (рис. 5,в) на границе воды и коры возникает кавитационная область. В кавитационной области возникают мощные гидродинамические возмущения в виде сильных импульсов сжатия (микроударных волн) и микропотоков, порождаемых пульсирующими пузырьками, следствием чего является отрыв отслоенных частей коры в зоне I от древесины. Возникающее гидродинамическое давление в зоне I создают момент вращения окариваемого материала относительно плеча Н.
Вид II (увеличено)
Рис. 5. Процесс ультразвуковой окорки лесоматериала: а - общая схема: I - зона воздействия кавитационного эффекта на камбиальный слой; II - зона воздействия кавитационного эффекта разрушения корки и луба; 1 - обрабатываемый лесоматериал; 2 - ультразвуковой излучатель; б - зона I; 1 - обрабатываемый материал; 2 - камбиальный слой; 3 - лубяной слой; 4 - корка; 5 - кавитационные пузырьки; 6 - ультразвуковые волны; в - зона II; 1 - лубяной слой; 2 - корка; 3 - вода; 4 - кавитационные пузыри; 5 - ультразвуковые волны
На рисунках 6 и 7 показаны зависимости температур в слоях коры и относительного коэффициента от расстояния между излучателем и обрабатываемого материала.
Анализируя зависимость относительного оценочного коэффициента очистки коры от расстояния между излучателем и окариваемым лесоматериалом (рис. 7), можно сделать вывод, что окорка может осуществляться при регулировании данного расстояния в диапазоне (15...85) мм.
Расстояние между излучателем и лесоматериалом Ь', мм
—Корка Лубяной слой —Ь~ Камбиальный слой Рис. 6. Зависимость температуры в слоях коры от расстояния И
0 20 40 60 80 100 120
Расстояние между излучателем и лесоматериалом L', мм
Рис. 7. Зависимость относительного оценочного коэффициента от расстояния и
Анализ физических свойств ультразвуковой окорки лесоматериалов
Для того чтобы изучить ультразвуковую окорку лесоматериалов, необходимо рассмотреть определение самого процесса и разработать схему взаимодействия физических факторов на него.
Ультразвуковая окорка лесоматериалов - способ очистки лесоматериалов от коры посредством воздействия на нее ультразвуковых волн.
Процесс ультразвуковой окорки обусловлен рядом явлений, возникающих в ультразвуковом поле: кавитация, акустические течения, давление звукового излучения, звукокапиллярный эффект. Эффективность окорки зависит от параметров звукового поля, определяемого источниками акустической энергии, частоты колебаний, интенсивности звука. На эффективность УЗ окорки влияют такие внешние факторы, как температура и гидростатическое давление в жидкости. В процессе УЗ окорки происходит разрушение камбиального слоя за счет его кипения и разрушение частей коры посредством кавитационного явления и давления на
поверхность лесоматериала. Влияние различных факторов на механизм ультразвуковой окорки и их взаимосвязь показаны на схеме (рис. 8).
Г 'Ч Ультразвуковая окорка лесоматериалов ^ У
Отслоение Кавитационная эрозия Эмульгирование Растворение
33
Статическое
давление
Кавитация
Акустические потоки
Радиационное давление
Звукокапиллярный эфф ект
Акустические эффекты
Звуковое давление
Частота
Параметры звукового поля
Г
Температура
Поверхностное натяжение
Вязкость
Физические свойства жидкости
Рис. 8. Схема взаимосвязи физических факторов, действующих на ультразвуковую окорку лесоматериалов
Для осуществления необходимого режима ультразвуковой окорки лесоматериала необходим также набор оптимальных значений интенсивности ультразвука и частота колебаний. С повышением частоты кавитационный пузырёк не достигает конечной стадии захлопывания, что снижает микроударные действия кавитации. Чрезмерно понижать частоту нежелательно из-за резкого возрастания шума, а также увеличения резонансных размеров излучателя.
Исследования воздействия ультразвуковых волн на лесоматериал с целью его окорки позволят реализовать технологически новое решение в области первичной обработки деревьев.
