УДК 62-93:51-74

ПРИМЕНЕНИЕ ЧИСЛЕННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ МЕХАНИЧЕСКИХ СИСТЕМ ДЛЯ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ОПЕРАЦИЙ ПЕРЕРАБОТКИ КРУГЛЫХ ЛЕСОМАТЕРИАЛОВ НА ЩЕПУ

Гардин Юлий Ефимович
ФГБОУ ВПО Петрозаводский государственный университет
Институт лесных, инженерных и строительных наук, к.х.н., доцент

Аннотация
В статье обзорного характера рассмотрены некоторые технические и технологические решения, полученные с применением методов численного моделирования механических систем. Эти решения ориентированы на совершенствование основных технологических операций древесно-подготовительного цикла целлюлозно-бумажного комбината. К основным технологическим операциям отнесены очистка древесины от коры в установках барабанного типа и измельчение древесины в дисковых рубительных машинах. Цель совершенствования – уменьшение количества отходов при переработкекруглых лесоматериалов на щепу в дисковых рубительных машинах.

Ключевые слова: дисковая рубительная машина, корообдирочный барабан, очистка от коры, переработка древесины, рациональное природопользование, численное моделирование


APPLICATION OF NUMERICAL SIMULATION OF MECHANICAL SYSTEMS FOR SOLVING PROBLEMS IMPROVEMENT OF TECHNOLOGICAL OPERATIONS OF ROUNDWOOD PROCESSING INTO CHIPS

Gardin Julij Efimovich
Petrozavodsk State University
Institute of Forestry, Engineering and Building Sciences, Candidate of chemical sciences, Associate Professor

Abstract
In this paper survey character is presented a number of technical and technological solutions obtained using the methods of numerical simulation of mechanical systems. These solutions are focused on improving of basic technological operations of wood preparation cycle in pulp and paper mill. The main technological operations classified as debarking in drum and chipping with use a disk machine. The purpose of development - reducing the amount of waste in the processing of round timber to wood chips in disc chippers.

Keywords: bark removal, debarking drum, disk chipper, environmental management, numerical modeling, wood processing


Рубрика: 05.00.00 ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ

Библиографическая ссылка на статью:
Гардин Ю.Е. Применение численного моделирования механических систем для решения задач совершенствования технологических операций переработки круглых лесоматериалов на щепу // Современные научные исследования и инновации. 2015. № 4. Ч. 2 [Электронный ресурс]. URL: http://web.snauka.ru/issues/2015/04/52217 (дата обращения: 02.06.2017).

Введение

Щепа, представляя собой разновидность измельченной древесины, необходима для получения целлюлозы, используется в производстве стружечных плит и в других целях. Области применения щепы и соответствующие характеристики определены в ГОСТ 15815-83 «Щепа технологическая. Технические условия». Характеристики других разновидностей измельченной древесины, в том числе опилок, стружки и других отходов переработки лесоматериалов, приведены в ГОСТ 23246–78 «Древесина измельченная. Термины и определения». Актуальность исследований по направлению, обозначенному в названии данной работы, обусловлена рядом факторов, к которым относится, прежде всего, необходимость уменьшения количества отходов и затрат энергии при переработке круглых лесоматериалов на щепу. В этой связи появляются задачи, для решения которых желательны, однако по техническим условиям невозможны или трудноосуществимы, измерения в производственных условиях таких параметров, как силы контактного взаимодействия деталей технологического оборудования и перерабатываемых лесоматериалов.Как следствие, по причинам технической невозможности или экономической нецелесообразности приобретают особую актуальность приложения методов численного моделирования механических систем к решению этих задач. Применение современных методов численного моделирования и компьютерных технологий существенно уменьшает, но не исключают полностью названные ограничения технической невозможности или экономической нецелесообразности соответствующих экспериментов.

Очистка круглых лесоматериалов от корыв установках барабанного типа.

Теоретические основы технологии очистки круглых лесоматериалов в корообдирочных барабанах изложены в монографииС.П. Бойкова [2], которая остается актуальной и в настоящее время. Однако после публикации данной монографии (1980 г.) появилась необходимость более подробного изучения ряда вопросов. Не останавливаясь на перечислении этих вопросов, отметим лишь, что к их числу можно отнести теоретическое обоснование зафиксированных вэкспериментах А.Н. Коршунова закономерностей уменьшения степени очистки с увеличением диаметра балансов. Результаты этих экспериментов введены в научный оборот в недавно опубликованной статье И.В. Григорьева (с соавторами) [8]. Теоретическое обоснование данной закономерности получено в работе [12], в которой с применением несложной математической модели установлено, что при одной и той же продолжительности технологической операции степень очистки от коры балансов уменьшается с увеличением диаметра балансов. При этом, если в барабан загружены балансы неодинакового диаметра,то, по отношению к балансам малого диаметра, степень очистки от корыбалансов большего диаметра уменьшается пропорционально квадрату увеличения диаметра. Адекватность данноготеоретически найденногоположения [12] подтвержденасравнением с указанными выше независимо полученными экспериментальными даннымиА.Н. Коршунова.

Другие применения методов численного моделирования механических систем к решению задач по совершенствованию технологии очистки круглых лесоматериалов от коры в установках барабанного типа рассмотрены в работах [6, 10, 12, 14, 15, 16].

В контексте данной работы заметим, что при численном моделировании соударений круглых лесоматериалов в корообдирочном барабане неизбежно приходится иметь дело с моделью механической системы, в которой имеются односторонние связи и соударения.Структура такой системы непрерывно изменяется в течение всего процесса окорки по мере вращения барабана (рисунок 1) [14, 15].


Рисунок 1. Балансы в корообдирочном барабане [14]

Анализ состояния такой системы и сил контактного взаимодействия при соударениях ее элементов (включая корпус барабана) представляет собой сложную задачу, для решения которой применяются, как правило, численные методы [17]. Необходимо заметить также, что некоторые задачи такого класса,методы их решения и соответствующая библиографияприведены в работе [18]. Однако, в статье [10]показано применение более эффективного алгоритма, обоснованного в работе [19] и анонсированного в заметке [21]. Реализация данного алгоритма сводится к жордановым исключениям, выполняемым в определенной очередности. Данная очередность определяется с использованием энергетического критерия переходя односторонних связей из возможного состояния в действительное состояние [10, 19].

Измельчение древесины на щепу в дисковых рубительных машинах.

История рубительных машин, первая из которых появилась в 1889 году, продолжается и в настоящее время, что отражено в статьях [16, 21 и др.].Одна из проблем производства щепы заключается в уменьшении массовой доли частиц, некондиционных по форме и размерам. Однако полностью исключить появление отходов в виде таких частиц не удается. Причины появления отходов данного вида, а также технологические решения для реализации потенциала ресурсосбережения при переработке круглых лесоматериалов на щепу рассмотрены в работах [4, 13]. Отличительная особенность этих работ заключается в том, что в них принято во внимание непрерывное уменьшение длины любого отрезка бревна в процессе его измельчения в рубительной машине. В этих работах теоретически и экспериментально показано, что на финишной стадии измельчения отрезок бревна стандартной длины превращается в короткомер, а измельчение короткомеров в рубительной машине приводит к увеличению доли щепы некондиционной крупности. Таким образом, полностью исключить причины появления щепы некондиционной крупности не удается. Однако можно уменьшить долю короткомеров в общем потоке круглых лесоматериалов путем их сортировки по длине, что более подробно рассмотрено в работах [3, 5, 11, 22].

Заключение

Представленный краткий обзор отражает только некоторые новые решения, разработанные в ИЛИСН ПетрГУ и направленные на решение многоплановой проблемы рационального использования древесины. Другие аспекты данной проблемы, в том числе вопросы, требующие продолжения исследований, обсуждаются в работах [1-7, 9-15,28].

Работа выполнена в рамках реализации комплекса мероприятий Программы стратегического развития ПетрГУ на 2012–2016 годы (подпроект:«Совершенствование строительных материалов на основе использования местных ресурсов и отходов переработки древесины»).


Библиографический список
  1. Андреев А.А., Колесников Г.Н. Совершенствование технологии использования отходов лесопильных предприятий в производстве древесно-цементных материалов для малоэтажного строительства // Фундаментальные исследования. 2014. № 6-6. С. 1139-1143. http://elibrary.ru/item.asp?id=21618774
  2. Бойков С.П. Теория процессов очистки древесины от коры // Л.: ЛГУ. 1980. 152 с.
  3. Васильев С.Б., Девятникова Л.А., Доспехова Н.А., Колесников Г.Н. Интенсификация сортировки транспортируемых рольгангом круглых лесоматериалов по критерию длины при их подготовке к измельчению на щепу // Фундаментальные исследования. 2013. № 10-2. С. 257-260. http://elibrary.ru/item.asp?id=20204479
  4. Васильев С.Б., Девятникова Л.А., Колесников Г.Н. Влияние изменения длины баланса, измельчаемого в дисковой рубительной машине, на размеры частиц древесной щепы // Политематический сетевой электронный научный журнал Кубанского государственного аграрного университета. 2012. № 81. С. 270-279. http://elibrary.ru/item.asp?id=18038785
  5. Васильев С.Б., Девятникова Л.А., Колесников Г.Н., Симонова И.В. Технологические решения для реализации потенциала ресурсосбережения при переработке круглых лесоматериалов на щепу // Петрозаводск, 2013. http://elibrary.ru/item.asp?id=21756172
  6. Васильев С.Б., Колесников Г.Н., Никонова Ю.В., Раковская М.И. Влияние локальной жесткости корпуса корообдирочного барабана на изменение силы соударений и величину потерь древесины // Ученые записки Петрозаводского государственного университета. Серия: Естественные и технические науки. 2008. № 96. С. 84-91. http://elibrary.ru/item.asp?id=11846141
  7. Гаврилов Т.А., Паталайнен Л.С., Колесников Г.Н. О ресурсосберегающих технологиях экологически безопасной утилизации древесной коры // Современные научные исследования и инновации. 2014. № 7 (39). С. 59-64. http://elibrary.ru/item.asp?id=22000406
  8. Григорьев И., Локштанов Б., Куницкая О., Гулько А. Повышение эффективности групповой механической окорки лесоматериалов. Часть 5. Размеры окариваемых лесоматериалов // ЛесПромИнформ. – 2013. – № 7 (97).
  9. Черняев Л.А., Гаврилов Т.А. Применение информационных технологий в планировании и обработке результатов факторных экспериментов // В сборнике: Научно-образовательная информационная среда XXI века. Материалы VIII Международной научно-практической конференции. Петрозаводск, 2014. С. 202-204.http://elibrary.ru/item.asp?id=22693603
  10. Колесников Г.Н. Алгоритм декомпозиции линейной задачи дополнительности и его применение для моделирования соударений балансов в корообдирочном барабане // ResourcesandTechnology. 2013. Т. 10. № 2. С. 111-138. http://elibrary.ru/item.asp?id=21517774
  11. Колесников Г.Н., Васильев С.Б., Девятникова Л.А., Доспехова Н.А. Секция рольганга для сортировки транспортируемых лесоматериалов по длине // Патент на полезную РФ модель 117411. Опубликовано 05.12.2011.
  12. Колесников Г.Н., Доспехова Н.А. Закономерности соударений и качество очистки балансов неодинакового диаметра в корообдирочном барабане // Фундаментальные исследования. 2013. № 10-15. С. 3328-3331. http://elibrary.ru/item.asp?id=22416535
  13. Колесников Г.Н., Девятникова Л.А., Доспехова Н.А., Васильев С.Б. Уточненная модель влияния длины баланса, измельчаемого в дисковой рубительной машине, на размеры частиц древесной щепы // Политематический сетевой электронный научный журнал Кубанского государственного аграрного университета. 2015. № 105. С. 413-425. http://elibrary.ru/item.asp?id=22958453
  14. Марков Б.Г., Марков О.Б., Доспехова Н.А. Геометрические аспекты контактного взаимодействия балансов в корообдирочном барабане // Ученые записки Петрозаводского государственного университета. Серия: Естественные и технические науки. 2009. № 11. С. 64-71. http://elibrary.ru/item.asp?id=16990133
  15. Никонова Ю.В., Раковская М.И., Доспехова Н.А., Зайцева М.И. Обзор исследований окорки древесины // ResourcesandTechnology. 2014. Т. 11. № 1. С. 11-49. http://elibrary.ru/item.asp?id=22467716
  16. Abdallah, R., Auchet, S., &Méausoone, P. J. (2014). A dynamic measurement of a disc chipper cutting forces. Biomass and Bioenergy, 64, 269-275.http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0961953414001147
  17. Flores, P., Leine, R., &Glocker, C. (2012). Application of the nonsmooth dynamics approach to model and analysis of the contact-impact events in cam-follower systems. Nonlinear Dynamics, 69(4), 2117-2133.http://repositorium.sdum.uminho.pt/bitstream/1822/19814/1/6.7.35%202012.pdf
  18. Колесников Г.Н. Дискретные модели механических и биомеханических систем с односторонними связям//Петрозаводский государственный университет. Петрозаводск, 2004. 204 с. http://elibrary.ru/item.asp?id=19489337
  19. Колесников Г.Н., Раковская М.И. Энергетический критерий очередности перехода односторонних связей в действительное состояние // Строительная физика в XXI веке: Материалы научно-техн. конф. – М.: НИИСФ РААСН. 2006. С. 606–608.
  20. Колесников Г.Н., Раковская М.И. Энергетический критерий очередности перехода односторонних связей в действительное состояние//Обозрение прикладной и промышленной математики. 2006. Т. 13. С. 652.
  21. Hellström, L. M., Gradin, P. A., Gulliksson, M., &Carlberg, T. (2011). A laboratory wood chipper for chipping under realistic conditions. Experimental mechanics, 51(8), 1309-1316.http://link.springer.com/article/10.1007/s11340-010-9452-1
  22. Доспехова Н.А. О совершенствовании основных и вспомогательных технологических операций переработки древесины на щепу в дисковых рубительных машинах // Современные научные исследования и инновации. 2015. № 2 [Электронный ресурс]. URL: http://web.snauka.ru/issues/2015/02/48889 (дата обращения: 07.03.2015).


Все статьи автора «Гардин Юлий Ефимович»


© Если вы обнаружили нарушение авторских или смежных прав, пожалуйста, незамедлительно сообщите нам об этом по электронной почте или через форму обратной связи.

Связь с автором (комментарии/рецензии к статье)

Оставить комментарий

Вы должны авторизоваться, чтобы оставить комментарий.

Если Вы еще не зарегистрированы на сайте, то Вам необходимо зарегистрироваться: