Обработка результатов экспериментов по исследованию цеповой окорки сегментных лесоматериалов Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

Оригинальная статья / Original article УДК: 634.023.1

DOI: 10.21285/1814-3520-2016-12-72-79

ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ ЭКСПЕРИМЕНТОВ ПО ИССЛЕДОВАНИЮ ЦЕПОВОЙ ОКОРКИ СЕГМЕНТНЫХ ЛЕСОМАТЕРИАЛОВ

© Е.В. Палкин1, С.В. Ушанов2, Т.С. Розанова3

Сибирский государственный технологический университет, 660049, Российская Федерация, г. Красноярск, пр-т Мира, 82.

РЕЗЮМЕ. ЦЕЛЬ. Определить статистические закономерности изменения влияющих на энергоемкость процесса режимных параметров цеповой окорки лесоматериалов. МЕТОДЫ. Использовался метод математической статистики с помощью табличного процессора Excel. РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ. Проверка однородности дисперсий опытов по критерию Кохрена показала, что гипотеза однородности дисперсий экспериментов не отклоняется при 5%-м уровне значимости (расчетное значение (0,32 - при попутной подаче, 0,35 - при встречной подаче) меньше критического значения (0,4)). Точность экспериментов оценивается дисперсией воспроизводимости Бвс2 = 0,09 - при попутной подаче и 0,073 - при встречной подаче с числом степеней свободы f^ = 27. Ошибка воспроизводимости экспериментов Бвс = 0,3 - при попутном движении и 0,27 - при встречном движении. ЗАКЛЮЧЕНИЕ. Получены адекватные эксперименту регрессионные модели функциональной зависимости между энергоемкостью и режимными параметрами окорки при попутной и встречной подачах, пригодные для описания процесса цеповой окорки, позволяющие решать прикладные задачи обоснования параметров и режимов работы при разработке цепового окорочного оборудования. Рекомендуются на промышленных установках рациональные режимы обработки с попутным направлением окорки, при скорости вращения окорочного вала от 37 до 50 м/с и скорости подачи от 0,9 до 1,5-2 м/с.

Ключевые слова: окорка, цеповый орган, сегментные лесоматериалы, пихта, регрессионные модели, удельная работа.

Формат цитирования: Палкин Е.В., Ушанов С.В., Розанова Т.С. Обработка результатов экспериментов по исследованию цеповой окорки сегментных лесоматериалов // Вестник Иркутского государственного технического университета. 2016. Т. 20. № 12. С. 72-79. DOI: 10.21285/1814-3520-2016-12-72-79

PROCESSING OF THE EXPERIMENTAL RESULTS OF THE CHAIN FLAIL DEBARKING RESEARCH

OF SEGMENTED TIMBER

Е.^ Palkin, S.V. Ushanov, T.S. Rozanova

Siberian State Technological University,

49, prospect Mira, Krasnoyarsk, 660049, Russian Federation.

ABSTRACT. The PURPOSE of the study is to identify the statistical regularities of changes in regime parameters of chain flail debarking of wood influencing the energy consumption process. METHODS. The mathematical statistics method based on Excel spreadsheet is used. RESULTS AND THEIR DISCUSSION. The tests of the homogeneity of variances of Cochran's C tests show that the hypothesis of homogeneity of variances of experiments does not deviate at the 5% significance level (calculated value (0.32 - under the climb feed, 0.35 - under the opposed feed) is less than the critical value (0.4)). The accuracy of experiments is evaluated by the reproducibility variance of S^ = 0.09 - under the climb feed and 0.073 - under the opposed feed with the number of degrees of freedom f^ = 27. The error of experiment reproducibility is S^ = 0.3 - at the climb movement and 0.27 - at the opposed movement. CONCLUSIONS. We have

©

1Палкин Евгений Владимирович, старший преподаватель кафедры технологии и оборудования лесозаготовок, e-mail: [email protected]

Evgeniy V. Palkin, Senior Lecturer of the Department of Logging Technology and Machinery, e-mail: [email protected]

2Ушанов Сергей Викторович, кандидат технических наук, доцент, заведующий кафедрой высшей математики и информатики.

Sergey V. Ushanov, Candidate of technical sciences, Associate Professor, Head of the Department of Higher Mathematics and Informatics.

Розанова Татьяна Сергеевна, кандидат физико-математических наук, доцент кафедры физики. Tatiana S. Rozanova, Candidate of Physical and Mathematical sciences, Associate Professor of the Department of Physics.

obtained the regression models of functional relationship between the energy consumption and debarking mode parameters at climb and opposed feeds adequate to the experiment, suitable for the description of the chain flail debarking process and allowing to solve the applied problems of justifying the parameters and operating modes when designing chain flail debarking equipment. It is recommended to use on industrial installations the rational processing modes involving climb debarking with the debarking shaft rotation rate from 37 to 50 m/s and the feed rate from 0.9 to 1.5-2 m/s. Keywords: debarking, flail body, segmented timber, fir, regression models, specific work

For citation: Palkin E.V., Ushanov S.V., Rozanova T.S. Processing of the experimental results of the chain flail debarking research of segmented timber. Proceedings of Irkutsk State Technical University. 2016, vol. 20, no. 12, pp. 72-79. (In Russian) DOI: 10.21285/1814-3520-2016-12-72-79

Введение

В технологическом процессе получения лесопромышленной продукции с высокой добавленной стоимостью предусмотрена операция по очистке (снятию) коры с поверхности лесоматериалов - окорка бревен. Рассматривается случай цеповой окорки, способ - воздействие на кору вращающимися отрезками цепей, закрепленных в определенном порядке на поверхности приводного вала. Суть процесса заключается в том, что лесоматериалы перемещают в осевом направлении через систему приводных горизонтальных и вертикальных вращающихся валов, на которых прикреплены отрезки обыкновенных цепей - цепы. За счет центробежной силы цеповые рабочие органы (ЦРО) приобретают определенную жесткость и, воздействуя на кору, сбивают ее с поверхности ствола [1,2]. Основой конструктивных режимов узлов окороч-

ного станка являются статистические исследования кинематических параметров экспериментальных наблюдений [2-4].

Цель исследования - определить статистические закономерности изменений режимных параметров цеповой окорки, влияющих на энергоемкость процесса окорки лесоматериалов ЦРО.

Задачи исследования:

1. Получить адекватную эксперименту регрессионную математическую модель функциональной зависимости между энергоемкостью и режимными параметрами цеповой окорки при попутной подаче.

2. Получить адекватную эксперименту регрессионную математическую модель функциональной зависимости между энергоемкостью и режимными параметрами цеповой окорки при встречной подаче.

Материалы и методы исследования

Основными изменяемыми факторами, влияющими на энергоемкость процесса цеповой окорки, являются: число оборотов вращения цеповой головки (линейная скорость воздействия); скорость подачи лесоматериала, вид подачи (попутная, встречная). Остальные факторы - масса цепов, скорость подачи (надвигания), влажность, температура, толщина коры - при проведении экспериментов стабилизировались. Уровни варьирования факторов окорки приведены в таблице.

Каждый из 18 опытов повторялся 4 раза. Общее число наблюдений - 72. Удельная работа окорки рассчитывалась как произведение длительности процесса (сек) на разницу показаний рабочего и холостого ходов (Вт), отнесенное к объему снятой коры (м3), Дж/м3 [1-2].

Обработка экспериментальных данных проводилась общепринятыми в математической статистике методами [5-7]. Расчеты выполнялись в табличном процессоре Excel.

Исследуемые факторы окорки и уровни их варьирования Researched factors of debarking and the levels of their varying

Наименование фактора / Factor Интервал варьирования / Variability interval Уровни варьирования / Variability levels

1 2 3

Линейная скорость вращения Клин, м/с / Linear velocity FmH, m/s 37,7-47,1 37,7 42,4 47,1

Скорость подачи, Unod, м/с / Feed rate U , m/s 0,48-0,88 0,48 0,68 0,88

Вид подачи / Feed type попутная/встречная /climb/opposec

Результаты и их обсуждение

На рис. 1, 2 представлены эмпирические и теоретические (нормальные) интегральные функции распределения отклонения удельной работы от средних значений. Проверка гипотезы нормальности эмпирического распределения критериям согласия Фроцини [5] (0,25 - при попутной подаче и 0,27 - при встречной подаче меньше критического значения (0,28)).

Применение критерия Кохрена показало, что гипотеза однородности дисперсий экспериментов не отклоняется при 5%-м

уровне значимости (расчетное значение (0,32 - при попутной подаче, 0,35 - при встречной подаче меньше критического значения (0,40)). Точность экспериментов оценивается дисперсией воспроизводимости Бвс2 = 0,090 - при попутной подаче и 0,073 - при встречной подаче с числом степеней свободы = 27.

Ошибка воспроизводимости экспериментов Бвс = 0,30 - при попутном движении и 0,27 - при встречном движении.

£ с

1° d о <D £=

CL ZJ [= Ч-

£ С &.2

= £ ■©■ «D

CK ".¡3

го го

i 1 ГО =5

В О

ш

-0,5 -0,4 -0,3 -0,2 -0,1 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8

Ошибка эксперимента / Experiment error

Рис. 1. Интегральные функции распределения отклонений удельной работы от средних значений

при попутной подаче

Fig. 1. Integral distribution functions of specific work deviation from the mean values under climb feed

ле n

£ Ъ

<D != Q. ^

[= 4—

ГО о

ср =

= £

■©■ <D сц чз

го го нлаь alum

го =5 гр uC

е

-0,3 -0,2 -0,1 0,0 0,1 0,2 Ошибка эксперимента / Experiment error

Рис. 2. Интегральные функции распределения отклонений удельной работы от средних значений

при встречной подаче Fig. 2. Integral distribution functions of specific work deviation from the mean values

under opposed feed

Матричным методом наименьших квадратов получены следующие регрессионные модели второго порядка зависимости удельной работы окорки пихты ЦРО (рис. 3 и 4):

- при попутной подаче:

упоп _ _14,77 + 9,31.р _4,33.и -

п ' ' лин ' под

-0,78-У2 + 5,3-и2, _2,18-У -и ■

' лин ' под ' лин под'

- при встречной подаче:

уестр _ _б,72 + 6,42.у _9,42-и -

п ' ' лин ' под

_0 24- У2 +14 44- и2 _ 4 22- У •и

0,24 ' лин + 14,44 ^^ под 4,22 ' лин и под-

c

e p

S

о б

а р

я а н ь л

е д

У

Рис. 3. Экспериментальные и расчетные значения удельной работы при попутной подаче Fig. 3. Experimental and calculated values of specific work under the climb feed

c

e p

S

о б

а р

я а

л

е д

У

Рис. 4. Экспериментальные и расчетные значения удельной работы при встречной подаче Fig. 4. Experimental and calculated values of specific work under the opposed feed

На рис. 5 и 6 представлены линии равного уровня удельной работы в зависи-

мости от линеинои скорости вращения (КиН) и скорости подачи (Unod).

55

50

.о 5

45

£

40

35

\ \ \ > ч > >

\ \ \ «

/ / л 1 ]

У / / / / 1 I

У < ✓ f < ✓ 1 4 t 4 f А /

* 1 ✓ »

w , ф , 0

_ й • * — —

0,40 0,45 0,50 0,55 0,60 0,65 0,70 0,75 0,80 0,85 0,90 0,95 1,00

2,0 4,5

2,5 5,0

Unод, м/с

- 3,0 > — •5,5

3,5 »6,0

4,0 »6,5

Удельная работа, МДж/м3 / Specific work, MJ/m3

Рис. 5. Линии равного уровня удельной работы в зависимости от линейной скорости вращения (Ушн)

и скорости подачи (Uпод) при попутной подаче Fig.5. The equal level lines of the specific work depending on the linear velocity (Улин) and the feed rate (Unod) under the climb feed

50

45

ц

>

40

35

30

25 ±

4 ✓ > 4 t 4 ✓ t a r / f /

< t 4 > f ! f f 4 ✓ i л /

> ✓ * У * > * ► < ✓ *

4 9 » * * ✓ ф У •

4 » У 9 j i У 4

I ✓ i ► Л J 4

** Л 1 ь

\

-

0,40 0,45 0,50 0,55 0,60 0,65 0,70 0,75

Uпод, м/с

— — .2,5 — —3,0 ^^—3,5

— — •5,5 — —6,0 ^^—6,5

0,80 0,85 0,90 0,95 1,00

2,0 5,0

4,0 • 7,0

4,5

Удельная работа, МДж/м3 / Specific work, MJ/m3

Рис. 6. Линии равного уровня удельной работы в зависимости от линейной скорости вращения (VmH)

и скорости подачи (UKOd) при встречной подаче Fig. 6. The equal level lines of the specific work depending on the linear velocity (Улин) and the feed rate (Unod) under the opposed feed

Гипотеза адекватности моделей экспериментальным данным не отвергается при 5%-м уровне значимости (расчетное значение критерия Фишера (2,18 - при попутной подаче и 2,45 - при встречной подаче меньше критического значения (2,96)).

Стандартная ошибка модели Бм = 0,22 -при попутной подаче и 0,21 - при встречной подаче. Коэффициент детерминации моделей Р = 0,988 - при попутной подаче и 0,993 - при встречной подаче.

Заключение

На основе статистической обработки экспериментальных данных по окорке све-жесрубленных пихтовых сегментных лесоматериалов были определены матричным методом наименьших квадратов адекватные эксперименту регрессионные модели второго порядка функциональной зависимости между энергоемкостью и режимными параметрами цеповой окорки - при попутной подаче:

упоп _ _;м 77 + 9,31.V - 4,33и л_

- при встречной подаче:

Yвгр =-6,72 + 6,42-V -9,42-U .П ' ' лин ' под

-0,24-V2 +14,44-U\ -4,22-V -U ..

лин ' под ' лин под

-0,78-V2 + 5,3-U\ -2,18-V -U ■

' лин ' под ' лин под'

Получены:

- графики экспериментальных и расчетных значений зависимости удельной работы от скорости подачи при попутном и встречном направлении, показавшие сходимость результатов, что говорит об адекватности расчетов и полученных результатов [2];

- линии равного уровня зависимости удельной работы от линейной скорости вращения, скорости и направления подачи, позволяющие проектировать режимные параметры окорочных станков.

При окорке с увеличением линейной скорости вращения окорочного вала с 37,7 до 47,1 м/с удельная работа увеличивается с 1,66 до 2,87 МДж/м3 при попутной подаче и с 2,24 до 3,61 МДж/м3 при встречной подаче. При окорке с увеличением скорости подачи с 0,48 до 0,88 м/с удельная работа окорки уменьшается с 3,74 до 1,66 МДж/м3 при попутной подаче и с 4,81 до 2,24 МДж/м3 - при встречной подаче.

Изменения удельной работы при различных режимах можно объяснить увеличенной частотой контактирования цепа с единицей площади обрабатываемой поверхности и излишними затратами энергии на сильное измельчение коры и трение цепов по уже окоренным участкам.

Из наблюдений следует, что при встречном движении цепа удельные затра-

ты энергии больше, чем при попутном, в среднем на 25%. Это позволяет рекомендовать на промышленных установках попутное движение цепов и окариваемого материала.

Длина рабочего цепа в экспериментальной установке составляет 0,15 м. На промышленных установках она значительно больше и, следовательно, больше линейная скорость. Это позволит значительно увеличить скорость подачи и уменьшить энергоемкость процесса.

Характер кривых указывает на то, что увеличение скорости подачи до 1,5-2 м/с (что реально для промышленных установок) еще больше сократит удельный расход энергии.

Таким образом, на промышленных установках с цеповой окоркой рекомендуются рациональные режимы обработки с попутным направлением окорки, при скорости вращения окорочного вала от 37 до 50 м/с и скорости подачи от 0,9 до 1,5-2 м/с.

Библиографический список

1. Палкин Е.В., Курицын В.Н. Установка для исследования цеповой окорки с промышленными скоростями подачи // Лесной и химический комплексы -проблемы и решения: сб. статей. Красноярск: СибГТУ, 2005. С. 149-151.

2. Палкин Е.В., Курицын В.Н. Результаты исследования цеповой окорки с промышленными скоростями подачи // Вестник КрасГАУ. 2010. Вып. 10. С. 152-155.

3. Палкин Е.В., Курицын В.Н. Анализ энергетических затрат в процессе цеповой окорки // Вестник КрасГАУ. 2013. Вып. 7. С. 229-234.

4. Палкин Е.В., Ушанов С.В., Розанова Т.С., Гришин К.М. Математические модели удельных энергетических затрат в процессе цеповой окорки лесоматериалов // Фундаментальные исследования. 2014. № 8.

4. 2. С. 317-321.

5. Кобзарь А.И. Прикладная математическая статистика. М.: ФИЗМАТЛИТ, 2006. 816 с.

6. Справочник по прикладной статистике: в 2-х т. М.: Финансы и статистика, 1989. Т.1. 510 с.

7. Ушанов С.В. Параметрическая идентификация моделей. Красноярск, 2012. 202 с.

References

1. Palkin E.V., Kuritsyn V.N. Ustanovka dlya issledo-vaniya tsepovoi okorki s promyshlen-nymi skorostyami podachi [Installation for the research of flail debarking with industrial feeding speed]. Sb. statei "Lesnoi i khimicheskii kompleksy - problemy i resheniya" [Collection of articles "Forestry and Chemical Complexes -Problems and Solutions"]. Krasnoyarsk, SibGTU Publ., 2005, pp. 149-151. (In Russian)

2. Palkin E.V., Kuritsyn V.N. Rezul'taty issledovaniya tsepovoi okorki s promyshlennymi skorostyami podachi [Research results of flail debarking with industrial feed rates]. Vestnik KrasGAU [The Bulletin of KrasGAU]. 2010, issue 10, pp. 152-155. (In Russian)

3. Palkin E.V., Kuritsyn V.N. Analiz energeticheskikh zatrat v protsesse tsepovoi okorki [The analysis of energy consumption in the flail debarking process]. Vestnik KrasGAU [The Bulletin of KrasGAU]. 2013, issue 7, pp. 229-234. (In Russian)

4. Palkin E.V., Ushanov S.V., Rozanova T.S., Grishin K.M. Matematicheskie modeli udel'nykh energeticheskikh zatrat v protsesse tsepovoi okorki lesomaterialov [Mathematical models of specific energy consumption under flail debarking]. Fundamental'nye issledovaniya [Fundamental researches]. 2014, no. 8, part 2, pp. 317321. (In Russian)

5. Kobzar' A.I. Prikladnaya matematicheskaya statistika

[Applied mathematical statistics]. Moscow, FIZMATLIT Publ., 2006, 816 p. (In Russian) 6. Spravochnik po prikladnoi statistike [Applied statistics reference book]. Moscow, Finansy i statistika Publ.,

1989, vol. 1, 510 p. (In Russian) 7. Ushanov S.V. Parametricheskaya identifikatsiya modelei [Parametric identification of models]. Krasnoyarsk, 2012, 202 p. (In Russian)

Критерии авторства

Палкин Е.В., Ушанов С.В., Розанова Т.С. имеют на статью равные авторские права и несут равную ответственность за плагиат.

Authorhip criteria

Palkin i E.V., Ushanov S.V., Rozanova T.S. have equal authors rights and bear equal responsibility for plagia-

rism.

Конфликт интересов

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

Conflict of interests

The authors declare that there is no conflict of interests regarding the publication of this article.

Статья поступила 06.10.2016 г.

The article was received 06 October 2016