CC BY
130
4. Жаринов, А.И. Вторичное белоксодержащее сырье: способы обработки и использования / А.И. Жари-нов, И.В. Хлебников, И.К. Мадалиев // Мясная пром-сть. - 1993. - № 2. - С. 22-24.
5. Митин, В.В. Оценка эффективности способов структурирования белковых препаратов на основе системного анализа / В.В. Митин, А.И. Жаринов. // Науч.-техн. информ. сб. - М., 1992. - Вып. 11. - С.14-20.
6. Горовой, В.И. Основные направления использования вторичных ресурсов на предприятиях пищевой промышленности / В.И. Горовой, В.И. Есейчик, Г.Н. Хиль. - М.: АгроНИИТЭИмясомолпром, 1987. - С. 14-17.
7. Руководство по практическим аспектам производства мясопродуктов для технологов мясной промышленности. - Протеин технолоджиз интернэшнл.
8. Салаватулина, P.M. Рациональное использование сырья в колбасном производстве / P.M. Салава-тулина. - М.: Агропромиздат, 1985. - 256 с.
9. Сёркл, С.Д. Соевые бобы: переработка и продукты / С.Д. Сёркл, А.К. Смит // Источники пищевого белка. - М.: Колос, 1979. - С. 67-87.
10. Толстогузов, В.Б. Искусственные продукты питания / В.Б. Толстогузов. - М.: Наука, 1978. - 232 с.
11. Толстогузов, В.Б. Новые формы белковой пищи / В.Б. Толстогузов. - М.: Агропромиздат, 1987. - 303 с.
12. Химический состав пищевых продуктов: справ. / под ред. И.М. Скурихина, М.Н. Волгарева. - М.: Агропромиздат, 1987. - 224 с.
13. Шульц, Г. Принципы структурной организации белков / Г. Шульц, Р. Ширмер. - М.: Мир, 1982. - 279 с.
УДК 674.093.2 А.М. Газизов, И.В. Григорьев, О.М. Гумерова
ПОВЫШЕНИЕ КАЧЕСТВА ОКОРКИ ЛЕСОМАТЕРИАЛОВ
В статье рассмотрены вопросы управления качеством механической окорки круглых лесоматериалов, приведены расчетные зависимости качества окорки от основных производственных факторов -скорости подачи бревен, усилия прижима короснимателей, угла их заточки.
Ключевые слова: качество окорки, механическая окорка круглых лесоматериалов, усилие прижима короснимателей, угол заточки короснимателей.
A.M. Gazizov, I.V. Grigoriyev, O.M. Gumerova QUALITY PERFECTION OF TIMBER BARKING
The problems of quality management of mechanical logs barking are considered in the article. Calculating dependences of barking quality on the basic production factors such as speed of logs feeding, clip force of the tool, tool angle are given.
Key words: barking quality, mechanical logs barking, clip force of the tool, tool angle.
Центральной задачей лесного комплекса всегда было сохранение, приумножение и эффективное использование лесных богатств в интересах человека, общества и государства. Развитие отраслевой науки и практические действия предприятий всех основных и обслуживающих подотраслей должны быть направлены на создание «эффективной системы использования природных ресурсов». Именно такое требование содержалось в одном из посланий президента РФ В.В. Путина Федеральному собранию. Оно конкретизировано и развито в Концепциях развития лесного хозяйства и лесопромышленного комплекса, одобренных правительством России.
Известно, что понятия эффективности и качества имеют сильную взаимосвязь. Невозможно говорить
о качестве процесса, если он неэффективен. В последние годы опубликовано большое число учебнометодических и научных работ, всесторонне рассматривающих вопросы управления качеством, как на общетеоретическом уровне, так и для конкретных отраслей народного хозяйства - промышленности, торговли, финансов, медицины, образования, научных исследований и т.д.
В качестве примера можно привести ряд формулировок, но для нашего случая главным определением является то, что «Под качеством процесса следует понимать совокупность свойств характеристик процесса, которые придают ему способность удовлетворять обусловленные или предлагаемые потребности» [1].
Известно, что окорка древесины является наиболее энерго- и трудоемкой операцией первичной лесопереработки, которая осуществляется на всех типах лесопромышленных складов. В результате ее выполнения образуются значительные объемы отходов, которые в настоящее время не находят эффективного применения. При современном состоянии окорки древесины в лесной, целлюлозно-бумажной промышленности нашей страны ресурсы коры, пригодной для использования, составляют свыше 6 млн м3, в том числе около 2 млн м3 коры образуется на лесопильно-деревообрабатывающих предприятиях. Однако доля её использования в промышленности составляет всего 12,7 %. Остальная часть коры свозится на свалки или неэффективно сжигается, засоряя территорию регионов предприятий. Можно утверждать, что без возможности эффективной утилизации отходов окорки, особенно это касается отходов окорки хвойных пород, процесс окорки не может быть признан эффективным, иначе говоря, качественным. Данное утверждение наглядно подтверждается рядом составляющих известной петли качества [2].
Проведенные отечественными и зарубежными учеными исследования свидетельствуют о ценности коры как сырья для выработки различного вида продуктов, которые в дальнейшем могут быть использованы в качестве компонентов в композиции древесноволокнистых плит, бумаг и формовочных составов; пластификаторов и наполнителей клеев, пластмасс, резины и различных строительных растворов; фильтрующих материалов; добавок к буровым растворам, а также в качестве подслойного материала для уплотнения твёрдых грунтов при сооружении дорог в заболоченных местностях, изоляционного материала от промерзания грунтов; мульчи для садовых почв; приготовления компостов, подстилки в животноводческих фермах с последующим использованием её в качестве гумуса [3].
Кора состоит из двух сильно различающихся частей - корки и луба. Каждая из них имеет специфическую структуру, биологическую роль и химический состав. Соотношение этих частей тоже разное у различных пород, к тому же очень большие отличия практически по всем показателям обнаруживаются у деревьев одной породы, но произрастающих в разных местах. В среднем доля корки от 20 до 45% от коры. В корке много лигнина и мало целлюлозы, в лубе и того и другого немного, но больше гемицеллюлоз и экстрактивных веществ.
При сопоставлении группового состава липидов луба и корки выявлено, что содержание липидов в лубе практически одинаково по всей высоте ствола и составляет 7,1%; количество липидов в корке возрастает с высотой ствола и равно соответственно 1,39, 4,35, 6,75%. Следовательно, добывать липиды из луба коры гораздо выгоднее.
Сравнение химического состава луба и древесины показывает, что целлюлозы в лубе в 1,5 раза меньше, чем в древесине, но в литературе отмечается отсутствие принципиальной разницы между качеством целлюлозы, содержащейся в коре и древесине. Луб выгодно отличается значительной долей дубильных веществ. В целом он содержит меньше целлюлозы и лигнина по сравнению с древесиной, но значительно больше веществ, экстрагируемых органическими растворителями и водой.
Соответственно способы получения целлюлозы из древесины и волокнистого полуфабриката из луба должны быть различны, т.е. целесообразно раздельно использовать лубяную и корково-древесную части отходов окорки. Из всего вышесказанного можно сделать вывод о том, что для повышения качества процесса окорки по критерию возможности эффективной утилизации отходов необходимо разработать и внедрить в производство новый способ высококачественной окорки, который бы позволил производить удаление коры с хвойных и лиственных пород древесины послойно, разделяя пробковый и лубяной слой - селективную окорку.
Способ селективной окорки, помимо критерия утилизации отходов, благоприятно скажется и на наиболее традиционном показателе качества окорки - степени удаления коры с поверхности бревен.
В настоящее время окорке подвергаются все основные сортименты - пиловочник, балансы, рудничная стойка, шпальные, фанерные и другие бревна. К качеству окорки при этом предъявляются различные требования, некоторые виды сортиментов требуют удаления с поверхности не только коры, но и части заболони. Отрицательное влияние камбиального слоя для балансовой древесины заключается в том, что после удаления коры и луба он становится хорошей питательной средой для микроорганизмов, вызывающих плесень и изменение окраски поверхностных слоев древесины (грибы синевы). На пораженные или поверхностные слои заболони обычно заселяются дереворазрушающие грибы, что существенно ухудшает качество вырабатываемой целлюлозы и бумаги. Однако в технологическом потоке, исключающем длительное хранение, наличие камбия допускается даже при выработке высококачественных сортов целлюлозы и бумаги.
Рудничная стойка поставляется потребителям с частичным или полным оставлением луба. Полное оставление луба дает наилучшие результаты при сухом хранении. Луб предохраняет древесину от проникновения грибов и в случае быстрого подсыхания образует прочную сухую корочку. Он также защищает древесину от трещин, особенно в первые два месяца хранения, а в дальнейшем уменьшает их число.
Балансы и пиловочные бревна окариваются с полным удалением коры, но допускается частичное оставление луба в виде пятен. Для производства высококачественных целлюлоз допускается оставление не более 5% луба, газетной бумаги - 10-15%.
Окоренную поверхность бревна П (%) определяют по формуле:
с _ с
П =---------5-100%, (1)
5
где 5 - площадь боковой поверхности бревна, м2; 81 - площадь неокоренной поверхности бревна, м2.
Различают три вида окорки: чистую, грубую и пролыску. При чистой окорке лесоматериалы полностью очищают от всех слоев коры, при этом удаляется и камбиальный слой. При грубой окорке допускается оставление лубяного слоя полностью или частично. При пролыске удаляют кору в виде отдельных полос или участков в направлении продольной оси круглых лесоматериалов.
Чистой окорке подвергают балансы, используемые в целлюлозно-бумажном производстве и поставляемые на экспорт, а также все материалы, подлежащие пропитке (шпалы, столбы линий связи и т.д.).
Грубой окорке подвергают пиловочник, рудничную стойку, лесоматериалы, применяемые в круглом виде без пропитки и для получения некоторых видов щепы. Окорка пиловочника, шпального кряжа и тарного сырья перед продольной распиловкой дает возможность использовать отходы для получения технологической щепы, оптимизировать раскрой, снизить затупление режущего инструмента.
Пролыске подвергают тонкомерные лесоматериалы, подлежащие сплаву. За счет пролыски древесина без растрескивания подсушивается на берегу, снижая объемный вес, что позволяет значительно снизить утоп при сплаве.
Для лесоматериалов, поставляемых потребителям, наряду с качеством окорки (степень удаления коры) важное значение имеет товарный вид, т.е. качество окоренной поверхности. Поверхность лесоматериалов должна быть гладкой, без мшистости и вырывов волокон, сучья срезаются заподлицо с поверхностью бревна.
Несмотря на то, что ГОСТ на окорку не регламентирует механические повреждения поверхности лесоматериалов, кроме отдельных требований для балансов чистой окорки на экспорт, они имеют определенное значение.
Во-первых, механические повреждения снижают товарный вид лесоматериалов. Во-вторых, они отрицательно влияют на хранение окоренных бревен ввиду легкого поражения деревоокрашивающими грибами, способствуют интенсивному загрязнению поверхности, что может потребовать дополнительных затрат на их очистку при дальнейшей обработке, а также снижают плотную массу древесины.
Трудность оценки шероховатости окоренной поверхности, как и качества окорки в целом, заключается в отсутствии объективных количественных оценок.
Известна следующая классификация неровностей поверхности древесины:
Неровности обработки поверхности древесины
Структурные неровности Неровности обработки
Шероховатость Волнистость, макронеровности
Обработочные риски Неровности упругого восстановления
Неровности разрушения Кинематического происхождения
Ворсистость и мшистость Вибрационного происхождения
Структурные неровности обусловлены анатомическим строением древесины и при оценке качества должны исключаться. Макронеровности - это искажение поверхности изделий при обработке или неравномерной усушке, или разбухании. Они определяют точность, а не качество поверхности.
Волнистость кинематическая зависит от подачи на резец и определяется кинематикой резания. Волнистость вибрационная - это результат паразитических колебаний системы станок - инструмент - деталь в виде волн синусоидального профиля.
Шероховатость - это профиль небольших по величине обработочных рисок, результат дефектов режущей кромки инструмента.
Неровности разрушения - это вырывы и выколы, возникновение которых связано с различной плотностью древесины и неоднородностью ее строения.
Ворсистость - это наличие отдельных волокон, связанных с поверхностью бревна одним концом и образующих ворс, легко приглаживаемый или поднимаемый рукой над поверхностью лесоматериала.
Мшистость - это наличие волокон или кусочков древесины, неполностью отделенных от поверхности бревна.
Из приведенной классификации видно, что окорочные станки, снабженные резцовыми или тупыми ко-роснимателями, работающие по традиционной технологии, могут вызывать нарушения поверхности лесоматериала типа шероховатость и волнистость.
В связи с тем, что к качеству окорки лесоматериалов предъявляют широкие требования, производительность окорочных станков необходимо рассматривать в тесной связи с требуемым качеством окорки тех или иных лесоматериалов в связи с условиями их дальнейшего хранения, транспортировки, переработки, а в ряде случаев и товарного вида. Кроме этого, на производительность окорочного оборудования существенное влияние оказывают физико-механические свойства обрабатываемых лесоматериалов.
Общая тенденция заключается в том, что с повышением требований к качеству окорки в смысле более полного удаления коры и минимального разрушения поверхности древесины снижается производительность окорочного оборудования.
Эта тенденция усугубляется неблагоприятными физико-механическими свойствами лесоматериалов, такими, как отрицательная температура, низкая влажность, высокая прочность связи коры с древесиной и слоев коры между собой, свойственная некоторым древесным породам.
В связи с этим окорка с заданным высоким качеством некоторых видов сортиментов традиционными способами, особенно при неблагоприятных условиях, становится экономически нецелесообразной из-за резкого снижения производительности окорочного оборудования или высокой стоимости операций по предварительной подготовке лесоматериалов, например, гидротермической обработке.
В качестве критерия качественного отделения коры примем следующее условие: на границе раздела
кора-древесина величина приведенного давления q достигает величины предельной характеристики прочности на скалывание Оск, т.е. должно выполнятся условие:
5 = "Г- - 1 (2)
аск
Принимая во внимание, что значение Оск коры отличается от аналогичной характеристики для древесины в 2-10 раз в зависимости от породы, можно заключить, что принятое условие (2) обеспечит качественную окорку на полную глубину без повреждения заболонного слоя древесины.
Для апробации разработанной модели необходимо выбрать несколько пород древесины, отличающихся как по физико-механическим свойствам, так и по условиям деформирования в соответствии с диаграммами Мора.
Физико-механические свойства коры
Кора W,% Рк,кг/м3 стСж,МПа стйМПа С,МПа кф
Сосна 10 370 6,4 1,8 1,40 0,56
Ель 10 310 4,2 2,6 1,61 0,24
Лиственница 10 380 3,9 1,7 1,18 0,39
Пихта 10 470 4,0 2,4 1,50 0,25
Дуб 9 480 18,2 5,2 4,04 0,56
Береза 13 770 20,0 2,2 1,98 0,80
Осина 9 590 12,5 10,7 5,77 0,08
В таблице представлены результаты расчетов С и кф для сухой коры ^=9-13%) семи различных по плотности рк материалов, прочностные характеристики которых получены в [4]. Анализ данных таблицы показывает,
что минимальной характеристикой сцепления обладает кора лиственницы, максимальной - осины и дуба. Кора хвойных деревьев характеризуется достаточно узким диапазоном изменения величины С=1,4-1,61 МПа.
Диапазон изменения величины внутреннего трения достаточно широкий и изменяется на порядок от минимального значения кф=0,08 для осины до максимальной величины коэффициента внутреннего трения кф=0,8 для коры березы.
Не ограничивая общности, учитывая различия в плотностях, прочностных характеристиках и параметрах диаграмм Мора, для сравнительного анализа остановим выбор на трех породах древесины: сосны, осины и березы. Он обусловлен еще и тем обстоятельством, что, основываясь на полученных в [5] регрессионных уравнениях зависимости толщины коры Ьк от бб, при заданном диаметре кряжа, в частности, аб=0,4м, толщина их коры практически совпадает и равна соответственно Ь=12,8, 12,1 и 12,4 мм. Это позволяет на данном этапе исследований исключить при проведении сравнительного анализа фактор влияния диаметра кряжа.
На рис. 1 представлен характер изменения вертикального Цв (кривая 1 - ось ординат, МПа), горизонтального Цг (2) и приведенного q (3) давлений в массиве коры березы с ростом толщины Ьс снимаемого слоя (ось абсцисс, % от толщины коры Ь).
МПа
О 30 40 60 80 100 % Ик
Рис. 1. Характер изменения давления в массиве коры березы:
1 - изменение вертикального Цв давления; 2 - изменение горизонтального Цг давления;
3 - изменение приведенного q давления
Приведенные данные соответствуют следующим параметрам окорки свежесрубленного зимней заготовки кряжа диаметром бб=0,4 м на станке ОК-63 [6]: скорость подачи ип=0,45 м/с; Г1=800 Н; число коросни-мателей - 4; число оборотов в минуту - 135, частота вращения ротора - 2,7 с-1; 1_= 0,366 м, его задний и передний углы соответственно 0,785 и 0,25 рад.; 5=2,02 рад.; радиус заточки - 0,0015 м; Ь=0,0016 м; Ьк=0,05 м;
Кп =1, кпр=1,25, ртр=0,3. При таких параметрах удельная сила окорки достигает ^ =22,17 кН/м.
Для данных условий окорки березы величина предела прочности Оск коры поперек волокон по камбиальному слою при Т=0оС принимается равной 1,42, а древесины - 3,86 МПа [5].
Таким образом, на основании анализа данных рис. 1 можно отметить, что достигнутое значение приведенного давления q =0,81 МПа составляет лишь 57% от величины Оск, т.е. условие (2) не выполняется и параметры окорки нуждаются в корректировке.
Сравним для аналогичных условий окорки характер изменения приведенного давления в массиве коры для трех пород древесины: сосны, осины и березы (рис. 2).
Рис. 2. Изменение приведенного давления с глубиной коры:
1 - сосны; 2 - осины; 3 - березы
Величина Оск для первых двух пород составляет соответственно Оск=0,33 и 0,79 МПа. Как следует из рис. 2, принятые параметры окорки обеспечат выполнение условия (2) только для массива коры сосны, причем в этом случае они нуждаются в существенной корректировке в сторону снижения величины q. Для качественной окорки осины, в отличие от березы, требуется незначительное увеличение давления. Рассмотрим три основных способа изменения величины q (управления процессом разрушения массива коры) путем изменения: 1) угловых; 2) силовых; 3) кинематических параметров окорки.
1.Угловой параметр. Зададим диапазон изменения угла окорки 5=1,74-2,35 рад. при фиксированных значениях остальных параметров.
На рис. 3 представлена функциональная логарифмическая зависимость величины q (ось ординат) от 5 (ось абсцисс) для условий окорки березы. При постоянной силе прижима Г1=800 Н за счет изменения углового параметра удельная сила окорки ^ изменялась от 8,6 до 35,87 кН/м. Однако достигнутое значение
q =1,21 составляет лишь 86% предельной характеристики прочности Оск. И только увеличение силы Г1 до
1000 Н (соответственно силы ^ до 44,84 кН/м) обеспечило выполнение условия (2). На рис. 3 это точка 2.
Рис. 3. Зависимость величины приведенного давления от угла окорки
Полученные результаты позволили провести исследования степени влияния угла окорки на выполнение критерия (2) для различных пород. Для этого необходимо установить зависимость безразмерной функ-
т:
■ от размерного угла 5, после чего производная
18
будет являться характеристикой
искомой интенсивности (степени влияния).
На рис. 4 представлены графики зависимости £ (ось ординат) от 5 (ось абсцисс) для сосны (линия 1), осины (2) и березы (3).
1£
Линейный характер зависимостей позволяет сделать вывод о том, что производные
18
являются
угловыми коэффициентами прямых и составляют соответственно 3,74, 1,07 и 3,24. Это пропорция означает, в частности, что при прочих равных условиях окорка сосны и березы характеризуется существенно большим влиянием углового фактора, чем окорка осины.
2. Силовой параметр. Установим диапазон изменения силы прижима Я1=730-2900Н.
На рис. 5 для условий окорки березы представлен функциональный линейный (в отличие от данных
рис. 3) характер изменения приведенного давления q (ось ординат) от силы Г1 (ось абсцисс). Как видно, увеличение Г1 до 1600 Н обеспечивает выполнение критерия (2). Удельная сила составила ^ =44,33 кН/м и этот результат при его сравнении с соответствующим показателем ^ =44,84 предыдущего (углового) способа управления свидетельствует о том, что параметр ^ является характеристикой сопротивления массива коры разрушающему действию короснимателя и не зависит от способа управления процессом окорки.
1,7 1,8 1,9 2 2,1 2,2 я , рад
Рис. 4. Степень влияния угла окорки на процесс разрушения коры:
1 - сосны; 2 - осины; 3 - березы
Результаты исследований по установлению степени влияния силы прижима Г1 на процесс окорки по аналогии с влиянием угла 5 представлены на рис. 6, где по оси ординат отложены значения относительного
критерия
£<30
', а по оси абсцисс - Рі, Н.
Рис. 5. Зависимость величины приведенного давления от силы прижима
Сравнивая данные рис. 6 и 4, отметим качественное совпадение влияния параметров управления, но имеются два количественных отличия: во-первых, изменилась в сторону увеличения пропорция степени относительного влияния (отношение угловых коэффициентов прямых) и, во-вторых, диапазон изменения £ для
углового параметра (£ =1-2,9) значительно шире соответствующего диапазона для силового (£ =1-1,8). Это означает, что результаты процесса разрушения коры в большей степени зависят от изменения угловых параметров, чем силовых.
Рис. 6. Степень влияния силы прижима на процесс разрушения коры: 1 - сосны; 2 - осины; 3 - березы
3. Кинематический параметр. Зафиксируем угол окорки и силу прижима: 5=1,74, Г1=800Н. Переменной величиной является скорость ип подачи кряжа в диапазоне и„=0,25-0,45м/с (перекрытие изменяется от 1 до 2). Моделирование процесса разрушения позволило получить следующие результаты.
На рис. 7 в рамках вышеотмеченных (рис. 4; 6) обозначений для соответствующих пород древесины
представлены по оси ординат
50,45
>, а по оси абсцисс - щ.
Как видим, кинематический параметр при окорке осины по степени влияния существенно превысил аналогичные результаты для сосны и березы, тем самым компенсируя слабое влияние углового и силового параметров.
Необходимо отметить уменьшение пропорции степени относительного влияния, т.е. кинематический параметр уменьшает дифференциацию в развитии процесса разрушения коры различных пород.
В то же время диапазон изменения £ расширился до значения £ =1-4,5, что свидетельствует о том, что данный параметр оказывает существенное влияние на процесс разрушения коры.
0,2 0,25 0,3 0,35 0,4 0,45 ии,м/с
Рис. 7. Степень влияния скорости подачи на процесс разрушения коры:
1 - сосны; 2 - осины; 3 - березы
Таким образом, разработанная математическая модель позволяет исследовать развитие процесса разрушения коры различных пород деревьев с учетом изменения и взаимного влияния угловых, силовых и кинематических параметров роторной окорки.
Можно утверждать, что внедрение способа селективной окорки, достижение которой возможно на многороторных окорочных станках, позволит существенно повысить эффективность (качество) процесса окорки во всех его составляющих.
Литература
1. Ребрин, Ю.И. Управление качеством: учеб. пособие / Ю.И. Ребрин. - Таганрог: Изд-во ТРТУ, 2004.
2. Мазур, И.И. Управление качеством: учеб. пособие / И.И. Мазур, В.Д. Шапиро. - М.: Омега-Л, 2007. -400 с.
3. Веретенник, Д.Г. Использование древесной коры в народном хозяйстве / Д.Г. Веретенник. - М.: Лесн. пром-сть, 1976. - 120 с.
4. Локштанов, Б.М. Системы и оборудование для подготовки коры к утилизации / Б.М. Локштанов, Б.Е. Вьюков, Т.Ф. Трефилова. - М.: ВнИПИЭИлеспром, 1985. - 56 с.
5. Симонов, М.Н. Окорка древесины / М.Н. Симонов, В.Г. Югов. - М.: Лесн. пром-сть, 1972. - 128 с.
6. Симонов, М.Н. Окорочные станка: устройство и эксплуатация / М.Н. Симонов, Г.И. Торговников. - М.: Лесн. пром-сть,1990. - 184 с.
