Теоретические аспекты шелушения термообработанных кедровых шишек Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

УДК 631.658 П.В. Бырдин, О.И. Медведева, Д.В. Михальский

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ШЕЛУШЕНИЯ ТЕРМООБРАБОТАННЫХ КЕДРОВЫХ ШИШЕК

В статье говорится об актуальности искусственного лесовосстановления ценных хвойных пород, в особенности кедра сибирского. Также рассмотрено новое оборудование для извлечения ореха из кедровой шишки без нарушения его целостности, представлено его устройство и принцип работы с описанием теоретических исследований по определению предела прочности чешуйки на изгиб.

Ключевые слова: кедр сибирский, кедровая шишка, извлечение ореха, теоретические исследования, искусственное лесовосстановление.

P.V. Byrdin, O.I. Medvedeva, D.V. Mikhalskiy THE THEORETICAL ASPECTS OF THERMALLY PROCESSED CEDAR CONE PEELING

The relevance of valuable conifer artificial reforestation, especially Siberian cedar is discussed in the article. The new equipment for the nut extraction from cedar cones without affecting its wholeness is examined, its device and work principle are considered with the description of the theoretical research to determine the scale firmness limit on the bend.

Key words: Siberian cedar, cedar cone, nut extraction, theoretical research, artificial reforestation.

Введение. Кедровые леса являются важнейшей лесной формацией. Они занимают обширный ареал, выполняют большую биосферную и средообразующую роль. Кедровые леса - это богатая пищевая база. Она может обеспечить население России высококалорийными продуктами питания, более ценными, чем продукты животноводства, так как белки и жиры, получаемые от кедровых орехов, особенно хорошо усваиваются человеческим организмом. В то же время кедровые леса являются неистощимой базой для получения древесины и важнейших химических продуктов высокого качества: живицы и ее производных, лечебных веществ из хвои, ветвей и корней. Они служат благоприятной средой для обитания полезных животных и птиц, местом произрастания разнообразных ягод, грибов и лекарственных трав.

Кедровые леса - это регулятор климата, стока вод, могучий защитный панцирь, охраняющий почвы, который в настоящее время значительно истощен проводившимися бесконтрольными рубками. Для восстановления защитных свойств кедровников, а также реализации неистощительного лесопользования в кедровых лесах необходимо восстанавливать насаждения лесного фонда более эффективным искусственным путем, для проведения которого требуется большое количество семян (кедровых орехов), получение которых, в свою очередь, возможно при использовании нового высокотехнологического оборудования для шелушения кедровых шишек.

В настоящее время разработано множество устройств для извлечения семян из кедровых шишек [4,8], в основе работы которых лежит силовое воздействие на всю шишку целиком, то есть ее дробление, что приводит к нарушению целостности самого ореха и снижению его качества.

Цель и задачи исследования. В этой связи для увеличения производительности работ по заготовке кедрового ореха и реализации искусственного восстановления кедровых лесов необходимо разрабатывать новые высокопроизводительные устройства для извлечения кедрового ореха без нарушения его целостности.

Для решения поставленной задачи была разработана серия устройств для извлечения ореха из кедровой шишки без нарушения его целостности [5-7]. А также подана заявка на изобретение «Устройство для шелушения кедровых шишек с их предварительной термической обработкой» (рис. 1) и получено положительное решение.

Устройство для шелушения кедровых шишек с их предварительной термической обработкой содержит раму 1, установленный на ней электродвигатель 2 с ведущим шкивом 3, соединенным ременными передачами 4 и 5 с ведомым шкивом 6 и валом 7 привода подающего устройства 8 и ведомым шкивом 9 и валом 10 привода обрабатывающего механизма 11 соответственно. Подающее устройство 8 состоит из загрузочного бункера 12, сушильной камеры 13 и транспортера 14, расположенного под загрузочным бункером 12 и проходящего через сушильную камеру 13.

18 12 % Ж ,17 16 15 19 Ж 25

Рис. 1. Общий вид устройства для шелушения кедровых шишек с их предварительной термической обработкой

Сушильная камера 13 состоит из корпуса 15 с расположенными в нем нагревательными элементами 16, установленными на равном расстоянии друг от друга, и вентиляторами 17, имеющих индивидуальный электропривод. Транспортер 14 состоит из пары ведущих звездочек 18 установленных на валу 7, пары ведомых звездочек 19 установленных на валу 20, смонтированном в раме 1 и транспортерной ленты 21, выполненной в виде сетчатой металлической ленты 22 с углублениями 23 конической формы под шишку и приводными цепями 24, расположенными по краям ленты 22 и жестко соединенными с ней.

Обрабатывающий механизм 11 содержит направляющую 25, выполненную в виде патрубка цилиндрической формы, жестко соединенной с рамой 1, и рабочий орган 26, установленный на раме 1 и выполненный в виде полого усеченного конуса, загнутого в пол-окружности, с упорами 27 на внутренней поверхности, отверстиями 28, расположенными перед упорами 27 по направлению движения шишки, и прорезью 29 для беспрепятственного прохождения толкателей 30 проталкивающего устройства 31. Проталкивающее устройство 31 установлено на валу 10 и выполнено в виде металлического диска 32 с жестко прикрепленными к

нему толкателями 30, состоящими из чаш 33 и стержней 34, расположенных на поверхности диска 32 через равное расстояние. Под рабочим органом 26 расположен лоток 35 для сбора вышелушенной массы.

Устройство работает следующим образом. При работе электродвигателя 2, установленного на раме 1, крутящий момент с ведущего шкива 3 через ременные передачи 4 и 5 и ведомые шкивы 6 и 9 передается на валы 7 и 10, приводя в работу подающее устройство 8 и обрабатывающее устройство 11, соответственно. Вращение вала 7 с жестко установленными на нем звездочками 18 приводит в движение транспортер 14 посредством приводных цепей 24. На транспортер 14 из загрузочного бункера 12 в углубления 23, сделанные на сетчатой металлической ленте 22, поступает обрабатываемая шишка, которая транспортируется в сушильную камеру 13, где происходит её термическая обработка нагретым нагревающими элементами 16 потоком воздуха, направленным вентиляторами 17. При выходе транспортера 14 с обработанной шишкой из сушильной камеры 13 происходит загиб ленты 22 по звездочкам 19 и сброс шишки в направляющую 25.

При вращении вала 10 проталкивающее устройство 31 чашечкой 33 толкателя 30 захватывает шишку из направляющей 25 и проталкивает её по рабочему органу 26 устройства. При прохождении шишки по рабочему органу 26 происходит её взаимодействие с упорами 27, которое приводит к отделению чешуек и ореха (вышелушенная масса) от остова шишки. Далее вышелушенная масса удаляется из рабочего органа 26 посредством отверстий 28 в лоток 35, а остов шишки вводится из рабочего органа 26 посредством толкателя 30.

Техническим преимуществом данного устройства является предварительная термическая обработка поверхности шишки (чешуек) перед ее шелушением. Это обеспечит уменьшение сопротивления отшелушивания чешуек от остова шишки и снизит засорение рабочего органа устройства смолой [1].

Методы и результаты исследования. Схематически процесс отделения чешуйки от остова шишки (шелушение) можно представить в следующем виде (рис. 2).

Рис. 2. Схема сил действующих на чешуйку кедровых шишек В общем виде предел прочности при статическом изгибе а определяется как

а = г-щ-' (1)

где Ртах - максимальная нагрузка сопротивлению излома, Н; Ь - длина образца, м; Ь - ширина образца, м; /г - высота образца, м.

Тогда с учетом схемы, представленной на рисунке 2, получим

а~ ЬИ2' ()

где Рот - усилие отрыва чешуйки от остова кедровой шишки, Н; I - высота чешуйки, м; Ь - ширина чешуйки, м; к- толщина чешуйки, м.

Помножив выражение (2) на I и преобразовав, получим

Р I2

'-4т (3)

где V - объем чешуйки, м3.

Учитывая то факт, что чешуйки кедровой шишки имеют капилляры (поры) [2], запишем формулу по определению пористости вещества

Л=(1-&), (4)

КГ 771 КГ

где - истинная плотность, —; ру - плотность вещества с порами, ру = в которой m - масса

образца с порами, кг; v - объем образца с порами, м3.

Также известно, что пористость выражается как отношение

П = 3& (5)

где 5га„ - площадь, занимаемая капиллярами (порами), м2; - общая площадь образца, м2.

Прировняв выражения (4) и (5) и выразив ру, получим

л = а(1-Н. (6)

\ -^общ/

И тогда объем образца (чешуйки) с порами будет определяться как

771

V =

или

V =

ш -^общ (7)

Рг ^общ-^кап

Принимая во внимание тот факт, что капилляры в чешуйки имеют форму, близкую к цилиндрической, запишем формулу по определению площади капилляров [3]

гшах

$ кап = ] пг2 — (іг,м2 (8)

где гтах и гтіп - соответственно максимальный и минимальным радиусы капилляров, приходящихся на единицу площади сечения чешуйки, м; Дп5 = Пщах ~ Щпт - количество капилляров, приходящихся на единицу площади сечения чешуйки.

Тогда, проведя математические преобразования с учетом того, что число капилляров в сечении невелико, получим

ЇГ ґ о ч ч

$кап = з”д^Т іртах ~ гтіп)ш (9)

И подставив выражение (9) в выражение (7), получим:

V =

или

т ЗДг 505щ

Выражение (10) описывает объем чешуйки с учетом ее пористой структуры. Подставив выражение (10) в уравнение (3), будем иметь:

«7 = 3

Роті2

^ 171 ЗА?" 50бщ

Рі ЗАг50бщ - тгДп5(гДах - гД£п)

или

а =

Рї (З-^общАг 7гАті5( т/г50бщАг

(11)

Выводы

Полученное уравнение (11) выражает зависимость предела прочности чешуйки на изгиб от ее физических и геометрических свойств, а также зависимость предела прочности от усилия отрыва Рот.

Дальнейшее исследование полученного уравнения позволит определить оптимальные параметры устройств для извлечения ореха их кедровых шишек без нарушения их целостности, оптимизировать процесс шелушения кедровых шишек.

1. Бырдин П.В., Михальский Д.В. Теоретические исследования устройства для извлечения ореха из кедровой шишки // Вестн. КрасГАУ. - 2010. - № 6. - С. 139-143.

2. Куриленко Н.И. Исследование физико-механических свойств кедрового ореха // Вестн. КрасГАУ. -2010. - № 2. - С. 149-153.

3. Лыково, А.В. Теория сушки. - 2-е изд., доп. - М.: Энергия, 1968. - 472 с.

4. Патент на изобретение 2122334 РФ МПК7 А 23 N 5/00. Устройство для извлечения из шишек кедровых

орехов, их очистки и сортировки / В.Н. Невзоров, И.В. Голубев, Е.И. Максимов; заявитель и патентообладатель Сибирский государственный технологический университет. - № 97108811/13; заявл. 22.05.1997; опубл. 27.11.1998.

5. Патент на полезную модель 95470 РФ МПК7 А 23 N 5/00. Устройство для шелушения кедровых шишек / П.В. Бырдин, Д.В. Михальский, С.С. Клюс; заявитель и патентообладатель ГОУ ВПО «Братский государственный университет». - № 2009144530/22; заявл. 01.12.2009; опубл. 10.07.2010, Бюл. № 19.

6. Патент на изобретение 2403829 РФ МПК7 А 23 N 5/00. Устройство для извлечения ореха из кедровой

шишки / П.В. Бырдин, Д.В. Михальский, С.С. Клюс; заявитель и патентообладатель ГОУ ВПО «Братский государственный университет». - № 200911304/13; заявл. 09.04.2009; опубл. 20.11.2010, Бюл. № 32.

7. Патент на изобретение 2440013 РФ МПК7 А 23 N 5/00. Устройство для выделения ореха из кедровых

шишек / П.В. Бырдин, Д.В. Михальский, С.С. Клюс; заявитель и патентообладатель ГОУ ВПО «Братский государственный университет». - № 2010122961/13; заявл. 04.06.2010; опубл. 20.01.2012, Бюл. № 2.

Литература

8. Патент на изобретение 2440781 РФ МПК7 А 23 N 5/00. Устройство для извлечения семян из кедровых шишек и их очистки / Е.И. Максимов, В.Н. Невзоров, Н.И. Куриленко [и др.]; заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВПО «СибГТУ». - № 2010122113/13; заявл. 31.05.2010; опубл. 27.01.2012, Бюл. № 3.

УДК: 625.056/086:678.842.1 Р.Т. Емельянов, Е.С. Турышева,

С.В. Шилкин, Т.Н. Поляков МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА УПЛОТНЕНИЯ ЩЕБЕНОЧНО-ПЕСЧАНОЙ СМЕСИ МЕТОДОМ УКАТКИ

Разработана модель состояния щебеночно-песчаной смеси. Составлены блок-схемы уравнений динамического равновесия системы в программе MATLAB SIMULINK. Приведены результаты моделирования процесса уплотнения щебеночно-песчаной смеси методом укатки.

Ключевые слова: уплотнение, щебеночно-песчаная смесь, вибрация, динамическая модель, модуль деформации, дифференциальные уравнения, коэффициент уплотнения, релаксация напряжений.

R.T. Yemelyanov, E.S. Turysheva,

S.V. Shilkin, T.N. Polyakov

MODELING THE PROCESS OF THE CRUSHED-STONE-SAND MIX CONSOLIDATION BY ROLLING METHOD

The condition model of the crushed-stone-sand mix is developed. The equation block schemes of the system dynamic balance in the MATLAB SIMULINK program are made. The results of consolidation process modeling of the crushed-stone-sand mix by rolling method are given.

Key words: consolidation, crushed-stone-sand mix, vibration, dynamic model, deformation module, differential equations, consolidation coefficient, tension relaxation.

Введение. Обязательное уплотнение грунта, щебня является не только составной частью технологического процесса устройства земляного полотна, основания и покрытия, но и служит фактически главной операцией по обеспечению их прочности, устойчивости и долговечности. Степень плотности грунта, которая должна быть достигнута в результате машинного уплотнения, - это такая плотность, при которой прекращаются дальнейшие осадки земляного полотна от нагрузок и увлажнения. Уплотнение катками - наиболее простой и достаточно производительный способ, стоимость его значительно ниже, чем другими машинами. Ввиду этого он является наиболее распространенным способом уплотнения грунта. К числу его недостатков надо отнести невозможность в ряде случаев уплотнить грунты слоями большой толщины, а также необходимость в достаточном фронте работ.

Цель работы. Обеспечение равномерного уплотнения грунтов, гравий- но-щебеночных материалов методом укатки.

В связных грунтах, в которых силы внутреннего трения незначительны, а физико-механические, электрохимические и водно-коллоидные сцепления между мелкими частицами существенно выше и являются преобладающими, главным действующим фактором служит сила давления или напряжения сжатия и сдвига, а роль первого фактора становится второстепенной.

Динамическая модель напряженно-деформированного состояния щебеночно-песчаной смеси приведена на рисунке 1 [1, 2].