авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:     | 1 || 3 | 4 |   ...   | 5 |

Совершенствование технологии роторной окорки лесоматериалов путем оптимизации основных параметров процесса

-- [ Страница 2 ] --

где: Е – модуль общей деформации коры при отсутствии сдвига, равный начальному давлению q0 при hс=hr, где hr величина углубления рабочей кромки короснимателя в массив коры; ; геометрический параметр короснимателя (штампа).

Наряду с абсолютными значениями hс и hк будем рассматривать их относительные величины и .

Интегрируя выражение (6) по переменной Z в пределах деформируемого слоя, получим соотношение для определения вертикального давления qв с учетом коэффициента уплотнения ky, отражающего увеличение общей деформации массива коры при погружении ядра уплотнения:

. (7)

Коэффициент уплотнения может быть учтен через несущую способность среды, через коэффициент k внутреннего трения, и через коэффициент kпр пористости до начала деформации (kпр=1+0, где 0 отношение объема пор в массиве коры к объему твердых частиц) и его изменение в процессе линейного деформирования. Последний подход применительно к деформации коры наиболее целесообразен. Поэтому принимаем, что уплотнение происходит пропорционально величине .

Установленные соотношения (4) и (7) позволяют определить (рис. 1, б) приведенное давление интегральную характеристику нагрузки в произвольной точке массива коры под совокупным сжимающим действием вертикального и горизонтального давлений.

В качестве критерия качественного отделения коры принимается следующее условие: на границе раздела кора-древесина величина приведенного давления достигает величины предельной характеристики прочности на скалывание ск, т.е. должно выполнятся условие:

. (8)

Принимая во внимание, что значение ск коры отличается от аналогичной характеристики для древесины в 210 раз, в зависимости от породы, влажности и температуры, можно заключить, что принятое условие (8) обеспечит качественную окорку на полную глубину без повреждения заболонного слоя древесины.

Для апробации разработанной модели были выбраны несколько пород древесины, отличающихся как по физико-механическим свойствам, так и по условиям деформирования в соответствии с диаграммами Мора. Для семи различных древесных пород был выполнен расчет С и k, который показал, что минимальной характеристикой сцепления обладает кора лиственницы, максимальной – осины и дуба. Кора хвойных деревьев характеризуется достаточно узким диапазоном изменения величины С=1,41,61 МПа. Диапазон изменения величины внутреннего трения достаточно широкий и изменяется на порядок от минимального значения k=0,08 для осины до максимальной величины k=0,8 для коры березы.

Учитывая различия в плотностях, прочностных характеристиках и параметрах диаграмм Мора, для сравнительного анализа были выбраны три породы древесины: сосны, осины и березы. Выбор этих пород обусловлен и тем обстоятельством, что, основываясь на известных регрессионных уравнениях зависимости толщины коры hк от dб, при заданном диаметре бревна, в частности dб=0,4м, толщина их коры практически совпадает и равна соответственно hк=12,8, 12,1 и 12,4 мм. Это позволило на данном этапе исследований исключить при проведении сравнительного анализа фактор влияния диаметра бревна.

На рис. 2 представлен характер изменения вертикального qв, горизонтального qг и приведенного давлений в массиве коры березы с ростом толщины hс снимаемого слоя (% от толщины коры hк). Приведенные данные соответствуют следующим параметрам окорки свежесрубленного бревна диаметром dб=0,4м на станке ОК-63: скорость подачи uп=0,45 м/с; F1=800 Н; число короснимателей 4; число оборотов в минуту 135, частота вращения ротора – 2,7 с-1; L= 0,366 м, его задний и передний углы – соответственно 0,785 и 0,25 рад.; =2,02 рад.; радиус заточки 0,0015 м; hr=0,0016 м; bк=0,05 м; Kп =1, kпр=1,25, тр=0,3. При таких параметрах удельная сила окорки достигает =22,17 кН/м.

Для данных условий окорки березы величина предела прочности ск коры поперек волокон по камбиальному слою при Т=0оС принимается равной 1,42, а древесины- 3,86 МПа. Таким образом, на основании анализа данных рис. 2 можно отметить, что достигнутое значение приведенного давления =0,81 МПа составляет лишь 57% от величины ск, т.е. условие (8) не выполняется и параметры окорки нуждаются в корректировке.

 Изменение давления в массиве коры-20

Рис. 2. Изменение давления в массиве коры березы:

1 изменение вертикального qв давления; 2 изменение горизонтального qг давления; 3 изменение приведенного давления

Сравнение, для аналогичных условий окорки, характера изменения приведенного давления в массиве коры для трех пород древесины: сосны, осины и березы показало, что величина ск для первых двух пород составляет, соответственно ск=0,33 и 0,79 МПа. То есть, принятые параметры окорки обеспечат выполнение условия (8) только для массива коры сосны. Причем в этом случае они нуждаются в существенной корректировке в сторону снижения величины . Для качественной окорки осины, в отличие от березы, требуется незначительное увеличение давления.

Рассмотрим три основных способа изменения величины (управления процессом разрушения массива коры) путем изменения: 1) угловых, 2) силовых, 3) кинематических параметров окорки.

Управление угловым параметром. Задаваясь диапазоном изменения угла окорки =1,742,35 рад при фиксированных значениях остальных параметров, была получена функциональная логарифмическая зависимость величины от . Которая, в частности, показала, что для условий окорки березы, при постоянной силе прижима F1=800 Н, за счет изменения углового параметра удельная сила окорки изменялась от 8,6 до 35,87 кН/м. Однако достигнутое значение =1,21 составляет лишь 86% предельной характеристики прочности ск. И только увеличение силы F1 до 1000 Н (соответственно силы до 44,84 кН/м) обеспечивает выполнение условия (8).

Полученные результаты позволили провести исследования степени влияния угла окорки на выполнение критерия (8) для различных пород. Для этого необходимо установить зависимость безразмерной функции от размерного угла , после чего производная будет являться характеристикой искомой интенсивности (степени влияния). На рис. 3 представлены графики зависимости от для сосны, осины и березы. Линейный характер зависимостей позволяет сделать вывод о том, что производные являются угловыми коэффициентами прямых и составляют соответственно 3,74, 1,07 и 3,24. Эти данные показывают, в частности, что при прочих равных условиях окорка сосны и березы характеризуется существенно большим влиянием углового фактора, чем окорка осины.

Управление силовым параметром. На рис. 4 для условий окорки березы представлен функциональный линейный характер изменения приведенного давления от силы F1. Как видно, увеличение F1 до 1600 Н обеспечивает выполнение критерия (8). Удельная сила составила

jpg">=44,33 кН/м. 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. Результаты исследований по установлению степени влияния силы прижима F1 на процесс окорки по аналогии с влиянием угла представлены на рис. 5, где отложены значения относительного критерия , и F1, Н.

 Влияние угла окорки на процесс-38

Рис. 3. Влияние угла окорки на процесс разрушения коры:

1 – сосны; 2 – осины; 3 березы

 Зависимость величины приведенного-39

Рис. 4. Зависимость величины приведенного давления от силы прижима

Сравнивая данные рис. 5 и 3, отметим качественное совпадение влияния параметров управления, при имеющихся двух количественных отличия: во-первых, изменилась в сторону увеличения пропорция степени относительного влияния (отношение угловых коэффициентов прямых) и, во-вторых, диапазон изменения для углового параметра (=12,9) значительно шире соответствующего диапазона для силового (=11,8). Это означает, что результаты процесса разрушения коры в большей степени зависят от изменения угловых параметров, чем силовых.

Управление кинематическим параметром. Зафиксируем угол окорки и силу прижима: =1,74, F1=800Н. Переменной величиной является скорость uп подачи бревна в диапазоне uп=0,250,45м/с (Kп =12).

 Влияние силы прижима на процесс-43

Рис. 5. Влияние силы прижима на процесс разрушения коры:

1 – сосны; 2 – осины; 3 березы

На рис. 6 в рамках вышеотмеченных (рис. 3 и 5) обозначений для трех пород древесины представлены , и uп. 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 тоже время, диапазон изменения расширился до значения =14,5, что свидетельствует о том, что данный параметр оказывает существенное влияние на процесс разрушения коры.

 Влияние скорости подачи на процесс-47

Рис. 6. Влияние скорости подачи на процесс разрушения коры:

1 – сосны; 2 – осины; 3 – березы

Таким образом, разработанная модель позволяет исследовать развитие процесса разрушения коры различных пород, с учетом изменения и взаимного влияния угловых, силовых и кинематических параметров роторной окорки. Основываясь на данной модели, представляется возможным исследовать влияние основных факторов (влажности, температуры, диаметра и др.) и их вариаций на эффективность процесса роторной окорки различных лесоматериалов.

Модель влияния влажности на разрушение коры при роторной окорке

По своей структуре, как известно, кора деревьев представляет собой многослойный материал, состоящий из корки, луба и камбия. С позиции механики сплошных сред каждый слой и кора в целом представляют собой трехкомпонентную среду, содержащую: 1) твердую (перидерма, рыхлая паренхима, каменистые клетки, волокна); 2) жидкую (вода, при низких температурах – лед); 3) газообразную (защемленный воздух) компоненты.

Известно, что кора легко отделяется при положительных температурах, а также при влажности не менее 4050%. Однако процесс образования окоренной поверхности сухого или мерзлого сырья усложняется и характеризуется проявлением слабо изученных механизмов смятия, уплотнения коры с последующим сдвигом вдоль плоскости раздела кора-древесина.

Таким образом, на процесс отделения коры, помимо соотношения деформационных и прочностных характеристик, оказывают влияние ее влажность (W,%) и температура (То,С), поскольку вода и лед обладают различной сжимаемостью. Наряду с этим агрегатное состояние влаги характеризуются проявлением отличных друг от друга упругопластических и вязких свойств, что существенно изменяет прочность адгезионных связей между твердыми компонентами коры и заболонного слоя древесины.

На данном этапе исследований была дана оценка влияния влажности на развитие процесса разрушения коры. В результате статистической обработки физико-механических свойств коры различных древесных пород установлено, что существует корреляционная связь между величинами сж и k, тогда как между р и k она статистически не значима. В результате расчетов была установлена зависимость увеличения относительной величины предела прочности на сжатие от относительного увеличения плотности по сравнению с начальным состоянием, которую с коэффициентом детерминации R2= 0,63 можно выразить в виде:

= 2,62 - 1,7151. (9)

С увеличением влажности W вода в порах коры замещает защемленный воздух, что с учетом различий их плотности приводит к росту плотности коры в целом. Чем выше начальная плотность сухой коры kо, тем меньший объем воды проникнет в ее поры, т.е. в меньшей степени произойдет относительное увеличение плотности коры в зависимости от ее относительной влажности . И наоборот, низкоплотная сухая кора ели, сосны, лиственницы и других материалов интенсивно поглощает влагу и тем самым увеличивает плотность.

Обобщив известные опытные данные для коры четырех пород – ели, сосны, березы и лиственницы в комлевой и срединной частях хлыста, установлен логарифмический закон связи () для всех пород деревьев. Расчеты для различных пород деревьев показали, что коэффициент при натуральном логарифме (для ели он равен Kw=0,6724) является функцией начальной плотности коры kо.

В итоге получена зависимость () в виде:

(10)

Зависимость (10) отличается от известной теоретической зависимости = 1+W, полученной для оценки влияния влажности на плотность трехкомпонентной среды и более полно отражает протекание этого сложного процесса.

При анализе физико-механических свойств коры различных пород выделяется широкий диапазон изменения характеристики сцепления лиственных деревьев (С=1,185,77 МПа), тогда как кора хвойных деревьев характеризуется более узким диапазоном изменения величины С=1,41,61 МПа. Разрушение коры зависит от величины сцепления С, которая, как показывает взаимосвязь соотношений (9)(10), в свою очередь, зависит от влажности W. Полученные исходные данные о влиянии W на характеристики коры позволили перейти к рассмотрению вопроса оценки влияния влажности среды на механизм развития разрушения массивов коры различных пород. Для сопоставительного анализа были выбраны кора сосны, осины и березы для условий окорки свежесрубленного (W=100-130%) бревна диаметром dб=0,4м на станке ОК-63.

Рассмотрим влияние W на развитие процесса разрушения через механизм зависимости ск(W), учитывая, что ск снижается по мере увеличения относительной влажности . Степень этого снижения была определена при обработке известных опытных данных статистическими методами распознавания образов для различных пород деревьев.

Анализ показал, что рост W сильнее сказывается на снижении прочности, чем на увеличении давления в слое коры, в связи с чем, зависимость критерия S(W) – практически линейная, положительная. Предельное состояние (S1) наблюдается при снижении W до 50%. Полученные результаты показали, что чем меньше исходная плотность коры, тем больше влияние влажности на параметры процесса разрушения.

Оценка интенсивности влияния W на S выполнялась посредством производной dS/dW, поскольку в силу линейной связи S(W) производная является угловым коэффициентом наклона прямых. Установлено, что при плотности коры сосны более, чем в 2 раза ниже плотности коры березы, степень влияния влажности на процесс ее разрушения в 4 раза превосходит этот показатель при разрушении высокоплотной коры березы по мере насыщения ее водой. Таким образом, разработанная на данном этапе математическая модель позволяет аналитически учесть влияния влажности коры различных пород на развитие процесса ее разрушения.

Влияние температуры среды на эффективность роторной окорки. Рассмотрим влияние на процесс отделение коры от древесины фактора низкой температура (Т<0оС) окружающей среды, поскольку вода и лед обладают различной сжимаемостью, а также отличаются упругопластическими и вязкими свойствами. Разрушение коры происходит в глубине массива по наиболее слабому камбиальному слою. Коросниматель, внедряясь в кору, разрушает вначале корку и луб, влажность и прочностные характеристики которых, существенно отличаются от камбия.

С понижением температуры внутреннее сцепление частиц С будет усиливаться. При отрицательных температурах (T<0) вода в порах замерзает, а величина С во многом зависит от изменения сил сцепления льда с твердыми компонентами коры. В результате анализа данных об изменении относительной величины внутреннего сцепления в зависимости от относительной плотности материала при различных отрицательных температурах, для любых значений температуры, получена зависимость:

= 0,33 еxp{ (-0,04Т+1,07) }. (11)

Полученные соотношения являются основой для расчета величины приведенного давления и в случае анализа процесса разрушения коры при понижении температуры Т. Для использования критерия разрушения (3) необходимо уточнить влияние Т на величину предела прочности коры на скалывание ск. Статистическая обработка известных опытных данных позволила установить корреляционные зависимости ск(Т) для широкого ряда свежесрубленных (W 100%) материалов коры различных пород. Необходимо также учитывать то обстоятельство, что величины ск зависит не только от Т, но и диаметра бревна dб, поскольку от последнего зависит толщина коры и степень ее насыщения влагой (льдом). Известные экспериментальные исследования на образцах летних и зимних бревен диаметром dб =0,080,2м для различных пород позволили установить зависимости ск(dб). Полученные результаты позволили сделать ряд выводов: во-первых, установлен линейный характер возрастания относительной прочности коры с увеличением относительного диаметра, т.е. масштабный эффект среды разрушения является весьма существенным; и, во-вторых, что проявление этого масштабного эффекта в зимнее время существенно выше, чем при окорке бревен при положительной температуре.



Pages:     | 1 || 3 | 4 |   ...   | 5 |
 





 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.