Теоретические аспекты шелушения термообработанных кедровых шишек

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 восстанавление 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 , 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 .

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 , имеющими 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 прикреплен- ными 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).

h

Рис. 2. Схема сил действующих на чешуйку кедровых шишек

В общем виде предел прочности при статическом изгибе о определяется как

= 3 PmaxL °   2 bh2 ’ где Pmax - максимальная нагрузка сопротивлению излома, Н; L - длина образца, м; b - ширина образца, м; h - высота образца, м.

Тогда с учетом схемы, представленной на рисунке 2, получим

— q ^Р °т ^ ° = ³ bh²’

где Р _от - усилие отрыва чешуйки от остова кедровой шишки, Н ; I - высота чешуйки, м; b - ширина чешуйки, м; h - толщина чешуйки, м.

Помножив выражение (2) на I и преобразовав, получим

° = 3                                                     (3)

Vh где V - объем чешуйки, м3.

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

П =(1 -^ ) ,                                        (4)

где p_t — истинная плотность, м 3 ; p_v - плотность вещества с порами, vv = m , м 3 , в которой m - масса образца с порами, кг; v – объем образца с порами, м³.

Также известно, что пористость выражается как отношение

П = ^, ^ общ

где 5 кап - площадь, занимаемая капиллярами (порами), м 2 ; 5 общ - общая площадь образца, м 2 .

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

P v = p_t(1 -^У                                 (6)

\    5общ/

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

’ 4 5„ У или

_V = m ⁵ общ                                            (7)

^pt ⁵ общ ^-5 кап

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

^ тах

&П г

⁵кап = J ЯГ²—dr,                                   (8)

^min где rmax и rmin - соответственно максимальный и минимальный радиусы капилляров, приходящихся на единицу площади сечения чешуйки, м; Lns = nmax — nmin - количество капилляров, приходящихся на единицу площади сечения чешуйки.

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

5 кап =

^{Я L n}s_{( 3}

3 _Д Г ^^max

г ³ • )

' min j-

или

или

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

^m          ^ общ

P?c, _sAns^  _гз. ,

° общ   3 д _г V'max 'mmJ

тп           З Д г^ общ

P t ³ & г5 общ - n h n_s(r max - r m _ny

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

о = 3

P om l²

^m _________З А г^ Общ_________ '

^pt ЗД^общ - n ^{A n}s ^r max - r min)

о =

^Р от ^ ^pt ^³‘^ общ^А Г  П ^ П^Ут тах

-

1 min

mhS^ k r

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 Р от .

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