Введение. Проблема совершенствования переработки древесного сырья не теряет своей актуальности на протяжении длительного времени. Названная проблема сводится к решению комплекса задач разработки новых и модернизации известных технологий, машин и оборудования, обеспечивающих конкурентные преимущества на стадиях лесопользования, заготовки, транспортировки и переработки древесного сырья, а также рационального использования (утилизации) отходов лесопромышленного комплекса [1-23]. Большое число работ в данной области объясняется не только актуальностью указанной проблемы, но и сложностью сопутствующих задач. С учетом ограничений на объем статьи далее рассматриваются только некоторые из технических и технологических решений. Кратко рассмотрены: очистка от коры лесоматериалов неодинакового диаметра в установках барабанного типа; измельчение древесины на щепу в дисковых рубительных машинах с гравитационной загрузкой; межоперационная транспортировка балансов и их сортировка с применением рольганга. Более полную информацию о результатах исследований в данной области можно найти в публикациях, указанных в списке литературы к данной статье.
Очистка от коры балансов неодинакового диаметра в установках барабанного типа. К числу недостаточно изученных в настоящее время относится задача о влиянии соотношения диаметров балансов на степень их очистки от коры в установках барабанного типа. Действительно, анализ литературы показал, что известны соответствующие эмпирические результаты А.Н. Коршунова, приведенные в недавно опубликованной статье [13], но нет теоретического обоснования наблюдаемых закономерностей уменьшения степени очистки с увеличением диаметра балансов. В работе [18] предпринята попытка восполнить этот пробел, используя и дополняя теорию С.П. Бойкова [3]. В монографии [3] соударения, с учетом их стохастичности, рассматриваются как независимые повторяющиеся испытания по схеме Бернулли. Т.е., используется модель, когда одно и то же испытание (соударение балансов) повторяется многократно и исход каждого испытания независим от исходов других испытаний. При каждом соударении кора частично разрушается. С увеличением числа соударений степень очистки возрастает от нуля до 100%. При этом по умолчанию предполагается, что площадь боковой поверхности соударяющихся балансов, а значит и их диаметры, одинаковы (если балансы не различаются по длине).
В работе [18] теоретически исследованы некоторые закономерности соударений при очистке в корообдирочном барабане балансов неодинакового диаметра. Было установлено, что при одной и той же продолжительности технологического процесса степень очистки от коры уменьшается с увеличением диаметра балансов. При этом изменение степени очистки пропорционально квадрату изменения диаметра. Адекватность результатов данного исследования подтверждена их согласованностью с экспериментами А.Н. Коршунова, описание которых можно найти в статье И.В. Григорьева [13].
Измельчение древесины на щепу в дисковых рубительных машинах с гравитационной загрузкой. Одна из проблем совершенствования технологии производства щепы заключается в уменьшении массовой доли частиц измельченной древесины, имеющих некондиционную форму и размеры. Появляющиеся в этой связи задачи рассмотрены в работах [4-9]. В статье [6] принято во внимание, что длина любого баланса уменьшается в процессе его измельчения в рубительной машине и на финишной стадии этого процесса баланс стандартной длины превращается в короткомер. Измельчение короткомеров в рубительной машине приводит к увеличению доли щепы некондиционной крупности, что исследовано в работе [7], в которой использована предложенная в [6] модель взаимодействия баланса и загрузочного устройства рубительной машины. В статье [19] предложена уточненная модель влияния длины баланса, измельчаемого в дисковой рубительной машине, на размеры частиц древесной щепы. Адекватность результатов моделирования подтверждена экспериментально.
Межоперационная транспортировка балансов и их сортировка с применением рольганга. Как отмечено выше, наличие короткомеров в потоке балансов, поступающих на измельчение в рубительную машину, служит причиной появления частиц щепы некондиционной крупности. Поэтому необходимо исключить подачу короткомеров в загрузочное устройство рубительной машины. Для решения данной задачи применяют ролльганги с так называемыми провалочными окнами, функционирование которых рассмотрено в работах [6, 7]. Однако практика показывает, что такое техническое решение оказывается не всегда эффективным. Результаты поиска нового решения в виде секции рольганга с полигональными роликами приведены в работах [5, 8, 9]. Схема секции рольганга показана на рис. 1.

Рис. 1. Схема секции рольганга

Указанная секция включает в себя стартовый 1 и финишный 2 участки, снабженные роликами 3 в форме призм. Ролики приводятся в синфазное вращение электродвигателями с передаточными механизмами, например, в виде роликовых цепей. Ролики 3 предназначены для транспортировки лесоматериалов 4 и 5. В проем между участками 1 и 2 проваливаются под действием собственного веса короткомеры 5. Балансы кондиционной длины 4 не проваливаются в указанные проёмы, так как размер проёма по направлению перемещения меньше половины длины баланса 4.
Далее рассмотрены характеристики движения баланса, транспортируемого по рольгангу с квадратным поперечным сечением ролика, вращающегося вокруг неподвижной оси, проходящей через точку  (рис. 2).

Рис. 2. Перемещение точки m по дуге amb

На старте транспортируемый баланс контактирует с точками  и . Далее с балансом контактирует точка , если . Значение  детерминируется формой поперечного сечения; для квадрата . Предполагается, что при перемещении по дуге  точка  неразрывно связана с поверхностью баланса. Тогда синхронное вращение всех роликов трансформируется в поступательное движение баланса к проему между участками 1 и 2. Поэтому, чтобы получить характеристики движения баланса, достаточно рассмотреть движение точки  по дуге . Если угловая скорость вращения роликов  от времени  не зависит, то . Тогда

, или  , . (1)

Горизонтальное перемещение данной точки :

. (2)

Вертикальное перемещение:

. (3)

Проекции скорости и ускорения:

, ,
, .(16)

В пределе, при , взамен многоугольника получим окружность. Тогда ; ; ; ; ; .
Необходимо учитывать ограничение  (1). Горизонтальное перемещение (1) получают суммированием значений , вычисленных при  с учетом целого числа циклов и остатка от деления .
На рис. 3 приведены графики  для круглого (0,534) и квадратного (0,481) сечений роликов при одном и том же  м. Среднее значение скорости в первом и втором случаях равно, соответственно, 0,534 м/с и 0,481 м/с. Графики на рис. 4-8 представляют характеристики для роликов квадратного сечения.

Рис. 3. Горизонтальное перемещение баланса	Рис. 4. Вертикальное перемещение баланса
Рис. 5. Горизонтальная скорость баланса	Рис. 6. Вертикальная скорость баланса
Рис. 7. Горизонтальное ускорение баланса	Рис. 8. Вертикальное ускорение баланса

Заключение

Теоретические и экспериментальные исследования показывают, что при одной и той же продолжительности технологического процесса степень очистки от коры весьма чувствительна к соотношению диаметров окариваемых балансов. Изменение степени очистки пропорционально квадрату изменения диаметра. Балансы меньшего диаметра будут освобождены от коры быстрее, чем балансы большего диаметра, и дальнейшие соударения приведут к разрушению и потере части древесины этих балансов. В целях уменьшения потерь древесины при окорке необходимо до загрузки в корообдирочный барабан сортировать балансы по диаметру, т.е. загружать лесоматериалы примерно одного диаметра в группе. Перспективы развития представленной работы могут быть ориентированы на совершенствование загрузочного устройства рубительной машины и рольганга для транспортировки балансов.

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»).