Теоретическое исследование механизма измельчения древесины в рубительной машине

Технологическая щепа более высоких эксплуатационных показателей (Ц1, Ц2, Ц3) является сырьем для целлюлозно-бумажной промышленности, уровень развития которой в значительной степени характеризует и уровень развития всего лесопромышленного комплекса, его ориентированность на производство дорогостоящей конкурентоспособной продукции. И здесь от качества производимой щепы существенно зависит качество конечной продукции целлюлозно-бумажного комбината.

Для производства щепы используются различные рубительные машины, в первую очередь - дисковые. Они характеризуются относительной простотой устройства, надежностью и стабильностью работы, высокой производительностью. Важнейшим направлением модернизации таких машин является обеспечение снижения потерь древесины при производстве щепы и улучшение её фракционного состава. На оба этих фактора несомненно оказывают влияние конструктивные параметры рубительных дисков, самих ножей, способы подачи древесины к диску и выброса щепы.

Имеющиеся исследования и рекомендации по данной проблематике носят, зачастую, разноречивый характер. В этой связи проблема обоснования рациональных параметров конструкции дисковых рубительных машин для производства щепы требуемого фракционного состава с минимальными потерями древесного сырья является важной, сложной и требующей ускоренного решения.

В этих условиях особое значение приобретают теоретические исследования процессов измельчения сырья в дисковых рубительных машинах. Будучи основаны на материалах, собранных в ходе эксплуатации и испытаний оборудования они позволяют значительно сократить затраты на разработку нового оборудования.

Анализ имеющихся в распоряжении материалов показал, что фракционный состав щепы во многом обусловлен формой рабочей поверхности диска и заточки ножей. В связи с этим проведено теоретическое исследование влияния профиля рабочей поверхности диска и заточки ножей на скорость подачи бревен (самозатягивание) и качество получаемой щепы.

Теоретические исследования выполнены на основе разработанных математических моделей, описывающих процессы подачи бревен малого и максимального диаметров.

Одна из расчетных схем, использовавшаяся при разработке математических моделей показана на рис. 1.

Рисунок. 1. Схема взаимодействия ножа с бревном малого диаметра

Здесь лезвие ножа LF направлено по радиусу диска, вращающегося относительно оси OY с постоянной угловой скоростью ω, что соответствует установившемуся режиму работы рубительной машины. Задняя грань ножа v наклонена к плоскости самого диска под углом у, обеспечивающим процесс затягивания бревна. Лезвие выпущено за плоскость диска на величину h. В принятой системе координат (рис. 1) уравнения линии лезвия имеют следующий вид:

y = h ;

z = - xtg ф ;

y - h = 0;

z + xtg ф = 0.

Уравнение плоскости задней грани ножа, проходящей через линию лезвия и плоскость самого диска описывается в следующей форме:

x tg y tg ф cos ф + y + ztg y cos ф- h = xtg Y sin ф + y + ztg Y cos ф- h = 0

А уравнение прямой AВ оси бревна, пересекающей плоскость задней грани ножа в точке

Е описывается в виде x - r y - 0 z + r

=== cos a cos acos xyz

Тогда координаты точки Е ( x, y, z ) контакта оси бревна с задней гранью ножа равны

x = C ^cos a ⁺ r x ;

y = C cos a y ;

z = C cos a - r .

Подставляя полученные значения координат в уравнение (2), получим

( C cos a + r ) tg Y sin ф + C cos a + ( C cos a - Г ) tg Y cos Ф - h = 0                  ⁽⁵⁾

где

- r tg Y sin ф + r_z tg Y cos ф + h cos a tg Y sin ф + cos a + cos a tg Y cos ф

Взяв производные от координат x, y, z по времени имеем значение составляющих

скорости подачи (затягивания) оси бревна:

U = ю Ф cos a ; и = ю Ф cos a ; и = юФ cos a ; zz

где:

Ф =

(- rx tgY cos ф - rz tgY sin ф)N1 + (rx tgY sin ф + rz tgY cos ф + h)N

Q2

;

Q = cos α tg γ sin ϕ + cos α + cos α tg γ cos ϕ ;

N = cos α tg γ cos ϕ - cos α tg γ sin ϕ .

Зная покоординатные составляющие скорости подачи оси бревна, полное её значение υ n в момент отруба определим по известному кинематическому соотношению

_ /2  .    2 .    2

υ _n = -\j υ _x ² + υ _y ² + υ _z ²

Аналогичные зависимости выведены для случая подачи бревна максимальных размеров (ограничение по диаметру загрузочного патрона машины). В этом случае выявлено кинематическое несоответствие скоростей подачи точек, разнесенных по диаметру бревна. Чем обусловлено появление срывов в процессе подачи (самозатягивания).

Фронтальная проекция цилиндрической геликоиды представляет собой синусоиду с длиной волны, равной шагу Р , и амплитудой, равной радиусу окружности основания образующего цилиндра. Развертка части цилиндрической поверхности, ограниченной геликоидой на длине одного витка, представляет собой прямоугольный треугольник, гипотенуза которого – развертка витка геликоиды, больший катет равен π d , поскольку представляет собой развертку окружности основания цилиндра, а меньший катет равен Р .

На основе анализа расчетов, проведенных по полученным математическим моделям, для устранения выявленного кинематического несоответствия и обеспечения равномерности подачи бревна самозатягиванием обоснована возможность применения геликоидальной рабочей поверхности диска и геликоидальной формы заточки ножей.

Рассмотренные выше геометрические аспекты функционирования ножей рубительной машины затрагивают только часть проблемы производства щепы требуемого фракционного состава с минимальными потерями древесного сырья [1, 2]. Другие вопросы, связанные с анализом геометрических моделей движения измельчаемого бревна в процессе его измельчения на щепу в рубительной машине, достаточно подробно рассмотрены в статьях [3, 4, 5]. Таким образом, применяя представленные модели функционирования ножей рубительной машины и движения измельчаемого бревна, можно повысить качество технологической щепы [6].

Работа выполнена в рамках реализации комплекса научных мероприятий Программы стратегического развития ПетрГУ на 2012-2016 гг.