close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

bd000101030

код для вставкиСкачать
На правах рукописи
Гаспарян Гарик Давидович
РАЗРАБОТКА И ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ У С Т А Н О В К И
ДЛЯ ОКОРКИ ЛЕСОМАТЕРИАЛОВ УЛЬТРАЗВУКОМ
05.21.0] - Технология и машины лесозаготовок и лесного хозяйства
АВТОРЕФЕРАТ
Диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Братск 2005
Работа выполнена в: Сибирском государственном технологическом
университете на кафедре «Промышленный транспорт и строительство»;
Братском государственном университете на кафедре «Лесные машины и обо­
рудование»
Научный руководитель: - доктор технических наук, профессор
Козинов Георгий Леонидович
Официальные оппоненты: - доктор технических наук, профессор
Полетайкин Владимир Фёдорович
- кандидат технических наук, доцент
Мазаник Анатолий Васильевич
Ведущая организация:
- Государстветоюе образовательное уч­
реждение высшего профессионального
образования «Иркутский государствен­
ный технический университет»
Защита состоится " 04 " ноября 2005 г. в 10 ^^ часов на заседании дис­
сертационного совета К 212.018.02 в Братском государственном университе­
те по адресу 665709 г. Братск, ул. Макаренко 40, БрГУ, аудитория № 112.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Братского государ­
ственного университета.
Автореферат разослан "30" сентября 2005 г.
Ученый секрет^ь
диссертационного совета
У^^^*^ ^
С.А. Чжан
.^ff^^l^
/ff^
,
SYf^^iY
^
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. При комплексном и экономически выгодном
использовании древесного сырья возникает требование обязательной его
окорки, которую выполняют на предприятиях лесной промышленности или
непосредственно у потребителей древесного сырья. Практически все сорти­
менты, за исключением дров должны подлежать окорке.
В последние годы в мировой и отечественной практике для сокраще­
ния многообразия конструкций созданы многофункциональные станки. Они
обеспечивают выполнение предъявляемых к окорке лесоматериалов требова­
ний благодаря применению различных инструментов и дополнительных при­
ставок в виде подающих и окаривающих механизмов.
По этому принципу созданы отечественные унифицированные одно- и
двухроторные окорочные станки. В качестве инструмента в них используют
коронадрезатели, коросниматели, зачисные ножи, фрезы. При окорке корот­
ких сортиментов или длинных бревен, включая хлысты, используются специ­
альные приставки к подающим механизмам.
Многие научно-исследовательские и проектно-конструкторские орга­
низации проводят исследования и изыскания в области совершенствования
технического вооружения, технологических процессов при обработке дре­
весного сырья и разработки комплексного его использования.
Учитывая многолетние исследования в области применения ультра­
звукового излучения, а также изучение физических и акустических свойств в
работе предлагается новое технологическое решение - использование ульт­
развукового излучения (УЗИ) в технологическом процессе окорки древесины.
Разрабатьгеаемая проблема является актуальной, так как предложен­
ные технологические решения позволяют усовершенствовать такой трудоём­
кий процесс, как окорка лесоматериалов.
Одним из перспективных методов воздействия на лесоматериал с це­
лью его окорки является метод, основанный на использовании механических
колебаний ультразвукового диапазона в водной среде.
Цель работы - разработка параметров установки для исследования
окорки лесоматериалов с помопц.ю ультразвукового излучения.
В соответствии с целью работы были определены следующие основ­
ные задачи исследований:
• разработать теоретическое и экспериментальное обоснова1ше элемен­
тов установки для ультразвуковой окорки лесоматериалов.
• разработать принципиальную схему установки для окорки лесомате­
риалов ультразвуком.
• провести экспериментальные исследования воздействия ультразвуко­
вых волн на окариваемые лесоматериалы.
РОС. НАЦИОНАЛЬНАЯ \
БИБЛИОТЕ»
1ЛИ0ТЕКХ,
СПе
J
ник
л
■да^^
Научная новизна исследований диссертационной работы состоит в
том, что в результате выполненных научных исследований:
• предложено теоретическое экспериментальное обоснование пара­
метров ультразвуковой установки для окорки лесоматериалов.
• разработана математическая модель колебательной системы уста­
новки для исследования воздействия ультразвука на окариваемый лесомате­
риал.
• определена оптимальная конструкция ультразвуковой колебательной
системы.
• предложена модель технологического процесса ультразвуковой
окорки лесоматериалов с учётом требований экологии.
Достоверность научных положений, выводов и результатов, сформу­
лированных в диссертации, обоснована математическими выкладками, ими­
тационным моделированием на Э В М , экспериментами и подтверждается
проведенными натурными испытаниями.
Практическая значимость работы состой г в рационализации техно­
логического процесса окорки лесоматериалов путём воздействия на сырьё
ультразвукового излучения; в разработке математического аппарата, позво­
ляющего обосновать основные характеристики ультразвуковой колебатель­
ной системы; в исследовании физического процесса взаимодействия ультра­
звуковых волн с частями коры при окорке лесоматериалов
Апробация работы. Результаты работы были доложены и обсуждены
на научно-технических конференциях в Сибирском государственном техно­
логическом университете (г. Красноярск), на межрегионалы€ых научнотехнических конференциях Братского государственного университета (г.
Братск), на международной научно-технической конференции в Уральском
государственном лесотехническом университете (г. Екатеринбург), на Меж­
дународной выставке-ярмарке «Экспо-Сибирь» и была удостоена диплома
второй степени за лучший экспонат, научно-практической конферетщи в
Иркутском государственном техническом университете.
Публикации. По диссертационной работе опубликовано 12 научных
трудов. Подана заявка на патент.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти
глав, заключения, списка литературы (121 наименование). Общий объем ра­
боты 160 страниц, из них 38 рисунков, 9 таблиц.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ Р А Б О Т Ы
Во введении сформулирована цель исследований, актуальность рас­
сматриваемых вопросов, дана краткая характеристика работы, ее научная
новизна и практическая значимость.
в первой главе проведён обзор существзтощих способов окорки ле­
соматериалов, применяемых на лесозаготовительных и деревообрабатываю­
щих предприятиях.
Большой вклад в области изучения технологии ультразвука внесли
многие отечественные и зарубежные учёные такие как: Л . Г. Бергман, В. А.
Красильников, И. Г. Михайлов, В. А. Соловьёв, Ю. П. Сырников, И. А. Вик­
торов, Ю. В, Холопов, В. Н. Хмелёв, В. Т. Фаерман, С. С. Уразовский, И. Г.
Полощсий, Б. А. Аграната, И, П. Галямина и многие другие. Однако приме­
нение ультразвуковой технологии в деревообрабатываюгцей промышленно­
сти, а в частности в процессе окорки, не исследовалось.
В нашей стране и за рубежом известны несколько способов окорки, а
также более ста моделей различного по принципу работы и конструкции обо­
рудования. Многообразие и разнотипность его обьясняется большой измен­
чивостью форм, физико-механических свойств коры и древесшат, различны­
ми требованиями промышлетюсти к качеству окорки и времени года.
Контактные и бесконтактные способы окорки по принципу воздейст­
вия на древесное сырье, включая и растущее дерево, разделяются на сле­
дующие: фрикционный; режущий; струйный (гидравлический - сплошными
и импульсными струями, ттевматический); электро- и теплофизический
(электрический, электрогидравлический, СВЧ-метод, термокомпрессионный,
высокоскоростные и высокотемпературные газовые потоки); ударный (дро­
беструйный, твердым инструментом); химико-биологический (химический,
биологический).
По количеству одновременно обрабатьшаемого сырья машхгаы и стан­
ки разделяются на две группы: к первой группе относится оборудование для
индивидуальной окорки, в котором каждое бревно обрабатывается отдельно;
ко второй группе — оборудование для групповой обработки, в котором од­
новременно окаривается большое количество лесоматериалов.
Ультразвук применяется в металлургии для воздействия на расплав­
ленный металл и в микроэлектронике и приборостроении для прецизионной
обработки тончайших деталей; в качестве средства получения информации
он служит как для измерения глубины, локации подводных препятствий в
океане, так и для обнаружения микродефектов в ответственных деталях и
изделиях; ультразвуковые методы используются для фиксации малейших
изменений химического состава веществ и для определения степени затвер­
девания бетона в теле плотины. На основании разнообразных воздействий
ультразвука на вещество образовалось целое технологическое направление
— ультразвуковая технология, В области контрольно-измерительных приме­
нений ультразвука в самостоятельный, установившийся раздел выделилась
ультразвуковая дефектоскопия, возможности которой и разнообразие решае­
мых ею задач существенно возросли.
Изучение ультразвуковой технологии и основных свойств ультразвука
позволило произвести анализ ультразвуковой окорки лесоматериалов - спо-
соба очистки лесоматериалов от коры посредством воздействия на неё ульт­
развуковых волн.
Вторая глава посвящена разработке схемы экспериментальной уста­
новки для исследования процесса окорки лесоматериалов ультразвуком; раз­
работке ультразвукового генератора для экспериментальной установки; раз­
работке и исследованию ультразвуковой колебательной системы, являющей­
ся основой экспериментальной установки.
В состав любой ультразвуковой технологической установки, в том
числе и в состав многофункциональных аппаратов входят источник энергии
(генератор) и ультразвуковая (УЗ) колебательная система.
УЗ колебательная система технологического назначения состоит из
преобразователя, согласующего элемента и рабочего инструметтга (излучате­
ля).
При использовании установки для исследования окорки лесоматериа­
лов ультразвуком, когда общее число часов эксплуатации не превышает не­
скольких сотен, применение сменных инструментов не оправдано, так как
это усложняет аппарат, увеличивает его стоимость, требует комплектации
аппарата приспособлениями для смены инструмента. В этом случае рабочий
инструмент должен выполняться как одно целое с концентратором (рис.1).
Важнейшей характеристикой УЗ колебательных систем является резо­
нансная частота. Обусловлено это тем, что эффективность технологических
процессов определяется амплитудой колебаний (значений колебательных
смещений). Максимальные значения амплитуд достигаются при возбуждении
УЗ колебательной системы на резонансной частоте.
Сложная форма поверхности рабочего инструмента обеспечивает его
многофункциональность и высокую эффективность. Так, внутренняя экспо­
ненциальная поверхность рабочего инструмента обеспечивает направленное
излучение УЗ колебаний вдоль акустической оси колебательной системы в
направлении обрабатываемого участка лесоматериала и обеспечивает интен­
сивные гидродинамические потоки. Внешняя экспоненциальная поверхность
рабочего инструмента обеспечивает излучение УЗ колебаний в направлении
свободной поверхности воды в обрабатываемом объеме. Экспоненциальность
и высокое качество поверхности излучателя исключают задерживание моле­
кул воздуха (т.е. кавитационных пузырьков) на поверхности, и обеспечивает
стабильность сопротивления излучения, что сводит к минимуму кавитационное разрушение поверхности (делает инструмент долговечным).
Экспоненциальный участок торцевой поверхности излучателя позво­
ляет осуществлять операции УЗ кипения камбиального слоя окариваемого
лесоматериала и разрушения элементов коры. Также этот участок создаёт
дополнительную область воздействия гидродинамических сил воды на обра­
батываемый лесоматериал.
1 — колебательный стержень; 2 - концентратор; 3 ~ излучатель;
4 — колебательное кольцо; 5 - кольцевая опора; б -узел смещения
Рис. 1. Форма многофункционального излучателя.
Для крепления УЗ колебательной системы в корпусе излучателя ис­
пользуется кольцевая опора 5 (рис. 1), выполненная с рабочей накладкойконцентратором как единое целое. Эта кольцевая опора соединена с колеба­
тельной системой в плоскости узла смещения б, где амплитуда колебаний
наименьшая и в месте присоединения опоры имеет небольшую толщину (от 1
до 3 мм).
Рассмотрим концентратор многофункционального излучателя как уп­
ругое однородное, изо1ропное тело, подчиняющееся закону Гука.
Однако в случае упругих тел вместо нескольких сосредоточенных масс
мы имеем систему, состоящую из бесконечно большого числа частиц, между
которьпии действуют силы упругости, Для определения положения такой
системы требуется бесконечно большое число координат, и поэтому она
имеет бесконечно большое число степеней свободы, так как за возможное
или виртуальное перемещение можно принять любое малое перемещение,
удовлетворяющее условию непрерывности, т. е. не вызывающее разрывов в
теле.
Для упрощения поставленной задачи тело концентратора разбивается
на и-е количество тонких пластин, при которых длина продольных волн
будет велика по сравнениис размерами поперечного сечения.
При выводе уравнения движения концетратора будем основываться
на гипотезе плоских сечений. Кроме того, будем игнорировать силы инерции,
связанные с поперечными движениями частиц стержня при его растяжении сжатии. Тогда положение каждого поперечного сечения в процессе движения
характеризуется его продольным смещением U.
Рассмотрим элемент стержня, ограниченный двумя поперечными
сечениями (рис. 2). Обозначим:
Л'^- поперечная сила в сечении;
8
dJ - сила инерции, при продольных колебаниях;
F(2) - площадь поперечного сечения;
и(7.) - смещение поперечного сечения вдоль оси элемента Z;
Е - модуль упругости материала стержня (модуль Юнга);
р - плотность материала стержня;
(О - круговая частота;
.г^
<
^
ж:
стержня,
2
L
dJ
N
Рис. 2. Элемент
[/^
т
11
—>
mdK
^>
ограниченный двумя
поперечными
сечениями.
Сила инерции элемента стержня выражается следующим образом :
Я'и
dZ
dt'
При стационарых колебаниях с круговой частотой от.
dJ = -pF(Z)
dJ^co' ■p-F(Z)U(Z)dZ
(1)
(Г)
Рассматривая выделенный участок стержня и применяя пршщип
Даламбера можно записать:
N+~dZ
+ d/-N = 0
8Z
Тогда, подставивdN_
в (2) выражение для силы инерции (1') получим:
dZ + a>'p-F(Z)-U(Z)dZ
=0
dZ
или, после сокращения на dZ,
(2)
fflV
(3)
+ m'p-F(Z)-U(Z)
=0
8Z
Левое сечение элемента смещается вдоль
оси Z на и, правое - навеличину U+dU (рис. 3.).
Таким
образом,
абсолютное
удлинение
элемента равно:
Ы1]
M = U + ^dZ-U
dZ
а относительное:
AL
Е =-
Рис. 3.
dz
= ^dZ'
dZ
ди
dz
(4)
Усилие, возникающее в сечении, связано
с относительным удлинением и описывается законом Г у к а для одноосного
напряжённого состояния:
N = EF(Z)s = EF(Z).ди
(5)
dZ
Окончательно система дифференциальных уравнений, описывающая
свободные
продольные
колебания
стержней
переменного
сечения
записывается в виде:
ди
1
^=^;=^лггг;
(6)
dZ
EF(Z)
riN
~ =
oZ
-oy'pF(Z)U(Z)
Волновое уравнение продольных колебаний такого стержня имеет вид
д_ EF(Z) 5U
8Z
dZ
-pFizf^^Q
(7)
Для нахождения лишь собственных частот, т.е. для решения задачи на
собственные колебания, можно принять, что
U(Z,t) = U(Z)cos(ot
(8)
где а> - круговая частота.
После подстановки (8) в (7) и некоторых преобразований имеем:
U"(Z) + &(Z) ■ U'(Z) + K'U(Z) = о
где j ^ _ ^- волновое число,
с
a(z)=
<Е_ - скорость звука
(9)
F(Z)
F'(Z)
Решение уравнения (9) для экспоненхщального и конического рупора
может быть представлено в виде:
10
U(Z) = —^[AcosK'Z
+ 3smK'Z]
r(z/
^^^^
^
где r(Z) - закон изменения радиуса поперечного сечения по длине; Л и В постоянные интегрирования, зависящие от граничных условий.
Для экспоненциального рупора для r(Z) имеем следующую зависи­
мость
r(Z) = r,exp(-^),
где Гд ~ размер рупора при Z=0; г^ - радиус рупора при Z=l; I - длина рупора;
N,^^'г„. P„ = /,
-lnN,
I
причём параметр К' определяется как К'-'^К^ - р' ■
Для участков инструмента с постоянной площадью поперечного сече­
ния, т.е. F=const решение уравнения (6) имеет вид:
U(Z)
= [ACOSKZ + B sin KZ]
N(Z) = EFK(-A sin KZ + B cos KZ)
Считая, что в начале участка при Z=0 смещение С/=Сд. а усилие N-Ng
найдем, соответственно, значения смещения и усилия в конце участка [0,1].
Очевидно:
и, = и„ COS Kl+^sin
Kl
(11)
N^ = -EFKNg sin Kl + N^ cos Kl
Используя вектор1п.1е обозначения, уравнение (11) можно записать в
более компактной форме:
К=ЛУ,
(12)
где Vi=(U^,NJ,
V„^(U,j,NJ'
векторы-столбцы; А - матрица (2x2)
вида:
cosKl
(EFK)-'sinKll
-EFKsinKl
cosKl
J
которую обьгано назьшают матрицей перехода.
Ультразвуковой узел состоит из участков, в гфеделах каждого из кото­
рых закон изменения площади поперечного сечения таков, что может быть
аппроксимирован из перечисленных выше функций. Если концентратор состоргг из п участков, то количество произвольных постоянных в решениях
=2п. Указатгаые постоянные определяются из гранич1шх условий дяя кон­
кретного концентратора, обычно это условие вида NJzL^,= 0 и Т^о(г\^,д=0
(свободные края концентратора), а также из так назьшаемых условий стыков­
ки участков, в соответствии с которыми, в силу гипотезы сплошности описы­
вается уравнением vi(Z ) = U*(Z ), т.е. продольное смещение слева от плос­
кости стыковки участков равно смещению справа от указанной плоскости.
Аналогично, в силу справедливости принципа Даламбера, при отсутствии
11
сосредоточенных сил имеем Щ(2о) = N^Zn) ■ Д ™ концентратора из и участ­
ков имеем 2(п-1) условий стыковки, и 2 гра1шчных условия, т.е. 2п условий,
которые можно представить в виде однородной системы из 2п алгебраиче­
ских уравнений вида,
A(alJC=0
(13)
где ACal^) " матрица коэффициентов размером 2п'<2п; « - волновое число
(а = к)',
С =(Cj,C2,-:C)
"
вектор-столбец
неизвестных
коэффициен­
тов; с, = А,С2 = В (из уравнения 10)
Решение системы (13) находится из следуюп1его условия:
detA(a-lJ^O
(13а)
Варьированием безразмерного параметра а ■ /д. выполняются условия
(13а), резонансная частота системы задана, значит, задано и волновое число
а, а варьируется длина к-го участка 4 (к:^п) элемента, и тем самым опреде­
ляется резонансная длина 4 к-то участка.
Среди различных причин затухания колебаний механических систем
одной из важнейших является рассеяние энергии внутри самой колебатель­
ной системы (внутреннее трение в материале и в сочленения). Достоверные
оценки влияния внутреннего трения важны при решении множества разнооб­
разных задач, особенно для систем, при эксплуатации которых возможны
резонансные режимы.
Существует большое число динамических задач, при которых нельзя
и1-норировать различные сопротивления неупругого характера. Последние
можно разделить на две фуппы:
1. Внешние сопротивления: трение в опорах систем; аэро- или гидро­
динамическое сопротивление среды; сопротивление, создаваемое специально
вводимыми в систему демпферами.
2. Внутренние сопротивления: внутреннее трение в материале; трение
в так называемых неподвижных соединениях (заклепочные, прессовых, шлицевых, резьбовых и т.п.)
Сопротивления указанного вида неизбежно сопровождают всякий про­
цесс деформирования реальных механических систем.
Очевидно, что решение различных задач о колебаниях систем с внут­
ренним трением требует отчетливых представлений о закономерностях, описываюшлх соответствующие неупругие сопротивления. Эти эксперимен­
тально устанавливаемые закономер1Юсти неизбежно приходится описывать
таким образом, чтобы облегчить последующее решение соответствующих
дифференциальных уравнений.
Введем в рассмотрение внутреннее трение моделью вязкоупругого те­
ла Бока-Сорокина, приводящую к наиболее простым решениям. Вьфазим
связь между напряжение и деформацией для одноосного напряженного со­
стояния в виде:
12
„^de^^-Щ
I,
(14)
27ca> dt)
где a - нормальные напряжения в поперечном сечении концентратора; е деформация; Е - модуль упругости материала стержня (модуль Юнга); ш круговая частота; ij/o - коэффициент поглощения, определяемый как
iffg-AW/W; fFамплитудное значение потенциальной энергии; AW- рассеян­
ная за один цикл деформирования энергия.
Представим уравнение (14) в виде:
или, с учётом (14);
.,z>-^s,,z[..^/^y
^">-^^Ф^Щ
'">
Решим систему (3), (15) для гармонического возбуждения с круго­
вой частотой а.
Выполним подстановку:
U(Z.t) = [U,(Z) + jU,(Z)\e>^':
(16)
N(Z,t)^[N,(Z)+jN,(ZJ\-e^''';
mej - мнимая единица; U/, Uz, N;, N2 - подлежащие определению действи­
тельные функции смещения и усилия.
Подставим выражения (16) в систему уравнений (3) и (15) и, разделив
действительную и мнимую части, получим систему уравнений:
1
д, JU,
¥о dU,
EF(Z)
' dZ 2па) dZ
I
EF(Z)
dNj_
dZ
д, JV2
, Vo dUj
'
dZ 2na dZ
,.
■■~(o'pF(Z)U,
^
= -o>'pF(Z)U,
dZ
или окончательно:
13
dU, ^
EF(Z)dZ
dU,
dZ
EF(Z)
(
2 M-'
2K(O
y,
2\
1 +4n^
N,
Wo
27аа
(17)
N,
dN, ■ -0'pF(Z)U,
dZ
^ = -<a'pF(Z)U,
dZ
Ha основании данной системы уравнений можно определить рацио­
нальные параметры концентратора и разработать элементы установки для
окорки лесоматериалов ультразвуком.
Общая схема и фотография установки, для исследования процесса
окорки лесоматериалов с помощью ультразвукового излучения показана на
рис. 4, 5. Она состоит из следующих основных элементов: ультразвуковой
генератор 7; цифровой частотомер 2; осциллофаф 3; ультразвуковая колеба­
тельная система 4; обрабатьгеаемый материал 5; ультразвуковой приёмник 6;
усилитель низкой частоты 7; осциллограф выходного контура 8; резервуар с
водой 9; цифровой термометр 10.
Принцип действия установки заключается в следующем: ультразвуко­
вой генератор вырабатывает сигналы ультразвуковой частоты, характеристи­
ка которых фиксируется цифровым частотомером и осциллографом. Сигнал,
поступающийц на магнитострикционную колебательную систему, преобра­
зуется в направленные механические колебания ультразвуковой частоты.
Ультразвуковые волш.!, проникая через исследуемый материал, находящийся
в резервуаре с водой, попадает на ультразвуковой приёмник, который преоб­
разовывает колебания в электрический сигнал. Для получения точных ре­
зультатов в цепь включатся усилитель низкой частоты, а характеристики вы­
ходного сигнала фиксируется осциллографом выходного контура. Значения
температур в камбиальном слое, при воздействии на неё ультразвуковых,
волн фиксируются термометром.
/ -ультразвуковой генератор; 2 - цифровой частотомер; 3 — осцилло­
граф; 4 - ультразвуковая колебательная система; 5 - обрабатываемый
материал: 6 - ультразвуковой приёмник; 7 -усилитель низкой частоты;
8 - осциллограф выходного контура; 9 - бассейн с водой; 10 - цифровой
термометр
Рис. 4. Общая схема установки для исследования процессов влияния
ультразвуковых волн на элементы коры.
1 —ультразвуковой генератор; 2 - цифровой частотомер; 3 - осцилло­
граф; 4 -ультразвуковая колебательная система; 5 - обрабатывае­
мый материал; 6 -осциллограф выходного контура; 7 - бассейн с во­
дой; 8 - цифровой термометр
Рис. 5. Экспериментальная установка для исследования
ультразвуковой окорки лесоматериалов.
15
В третьей главе приведены результаты экспериментальных исследо­
ваний характеристик колебательной системы и процесса ультразвуковой
окорки и воздействия ультразвуковых волн на элементы коры.
При проведении исследований ставились следующие задачи. Вопервых это определение оптимальных характеристик элементов ультразвуко­
вой колебательной системы; во-вторых, исследование воздействия ультра­
звуковых волн на слои коры и древесины; в-третьих, определение физиче­
ских факторов, влияющих на процесс окорки лесоматериалов с помощью
ультразвука и связи между ними.
При разработке установки для исследования окорки лесоматериалов с
помощью ультразвукового излучения возникает необходимость определения
параметров элементов колебательной системы, дающих наибольший эффект
при окорке лесоматериалов.
Рационализация параметров концентратора заключается в определе­
нии оптимальной формы составляющей его поверхности.
Для проведения экспериментов были изготовлены шесть концентрато­
ров экспоненциальной формы, отличающиеся формой составляющей поверх­
ности (рис. 6),
На рис. 6 показана зависимость температуры камбиального слоя и ко­
эффициента очистки коры, при проведении исследований, от формы состав­
ляющих поверхностей экспериментальных концентраторов. Полученные
кривые форм составляющих экспериментальных концентраторов можно ап­
проксимировать и описать в виде уравнений:
R„=^c„-exp-'"\
(18)
где и - номер концентратора; R - радиус основания концентратора; с - чи­
словой множитель п-го концентратора; с' - множитель степени л-го кон­
центратора.
По характеру воздействия ультразвуковых волн на элементы коры
можно оценить их воздействие на обрабатываемый лесоматериал по двум
параметрам: температура; условный коэффициент очистки ствола дерева от
коры. При проведении экспериментов каждый из этих параметров можно
разбить на несколько диапазонов.
Температуру t в камбиальном слое можно разбить на три диапазона:
диапазон пассивного воздействия ультразвуковых волн на камбиальный
слой; диапазон кипения камбиального слоя; диапазон негативного влияния
ультразвуковых волн на древесину. Условный коэффициент к степени удале­
ния коры от древесины можно разбить на два диапазона: диапазон очистки
слоев коры от древесины и диапазон пассивного воздействия ультразвуковых
волн на кору.
16
20
40
60
80
100
L, мм
• Концентратор №1 -*- Концентратор №2
- Концентратор №3
■ Концентратор №4 - ® - Концентратор №5
- Концентратор №6
J-диапазон пассивного воздействия ультразвуковых волн на камбиаль­
ный слой; II- диапазон кипения камбиального слоя; 1П — диапазон нега­
тивного воздействия ультразвуковых волн на древесину, IV —диапазон
очистки древесины от слоев коры
Рис. 6. Зависимость температуры камбиального аюя (t),
коэффициента очистки коры (к) и радиуса концентратора (R)
от формы составляющих поверхностей экспериментальных
концентраторов.
Из рис. 6 видно, что диапазон //и /Fпересекаются и определяют зону
оптимальной формы концентратора. После чего был изготовлен концен­
тратор с оптимальной формой поверхности.
Экспериментальные исследования параметров излучателя заключа­
лись в разработке конструкции с наиболее рациональной формой волновода,
описывающую сегмент обрабатьшаемого материала.
Дня выбора рациональной формы излучателя были изготовлены экс­
периментальные излучатели разных форм волновода и исследовано качество
окорки. На рис. 7 показана зависимость длины и высоты формы волновода.
17
40
1
35
J
Участок I \
30
Участок II
^.
—
25
-s 20
Iа« ^^
I'
H-^'-—" 1
I 10
- ■
^
^
^
T
r
10
15
20
25
30
Длина волновода I, мм
♦ Излучатель №2
■ Излучатель №3
• Излучатель №1
■ Излучатель NsS
35
40
А Излучатель №4
Рис. 7. Зависимость высоты и длины формы волновода
экспериментальных излучателей
В таблице 1 представлены характеристики процесса окорки лесомате­
риалов экспериментальными излучателями с целью выбора наиболее рацио­
нальной формы волновода излучателя (рис. 8).
18
Таблица I
Характеристики процесса ультразвуковой окорки экспериментальными
излучателями
Участок-П,
Участок-1,
М излучателя
Изл.№1
Изл.№2
Изл.№3
Изл.№4
Изл.№5
темпера­
тура кам­
биального
слоя t°C
оценочный
коэффици­
ент очи­
стки к
темпера­
тура кам­
биального
слоя t°C
125
117
105
100
1,2
1,0
125
117
105
100
100
1,0
1,0
1,0
оценочный
коэффици­
ент очи­
стки к'
1,5
1,4
1,0
0,8
100
0,7
Примечание при к<1 - не полная окорка лесоматериала; к=1 - полная
окорка лесоматериала; к>1 - разружение древесины.
25
20 -.^^
а
1
-§ 15
S
§ 10
^н
^^ч--
I ' I '
'"Т
V—.^^
^^
"I
^
IB
в
S
о
U
oq
10
20
30
Длина волновода I. мм
40
Рис. 8. Зависимость высоты и длины волновода при к=1
Высота рационального излучателя описьгеается формулой, получен­
ной методом сингулярного разложения,
h = Ci+C2-l + c^-l^
(19)
где €,=-5,5; С2=-0,14; Сз=0,015.
Для исследования воздействия ультразвуковых волн на элементы коры
при окорке лесоматериалов, обрабатываемый материал опускается в воду.
Принцип заключается в следующем (рис. 9).
19
Из-за особенности конструкции излучателя, имеющего экспоненци­
альную рабочую поверхность (рис. 9, а), процесс ультразвуковой окорки ле­
соматериала состоит из двух областей. В области / малой амгшитуды коле­
бания (рис 9, б), ультразвуковая волна проникает через слои коры в камби­
альный слой, где кавитационные явления вызывают мощные гидродинамиче­
ские возмущения, что приводит к его кипению и последующему отслоению
элементов коры от древесины. В области // большей амплитуды колебания
(рис. 9, в) на границе воды и коры возникает кавитационная область. В кавитационной области возникают мощные гидродинамические возмущения в
виде сильных импульсов сжатия (микроударных волн) и микропотоков, по­
рождаемых пульсирующими пузырьками, следствие чего является отрыв от­
слоенных частей коры в области / от древесины. Возникающее гидродина­
мическое давление в области // создают момент вращения окариваемого ле­
соматериала относительно плеча h.
1^ А,
Вид 1 (увеличено)
Вид П (]Гвеличено)
а - общая схема' I— область малой амплитуды; П- область большей
амплитуды;] - обрабатываемый лесоматериал; 2 -ультразвуковой из­
лучатель; 3 -упор; б - область 1:1 - обрабатываемый материал; 2 камбиальный слой; 3 - лубяной слой, 4 - корка; 5 - кавитационные пу­
зырьки; 6 - ультразвуковые волны; в — область II; 1 - лубяной слой; 2 —
корка; 3 - вода; 4 - кавитационные пузыри; 5 -ультразвуковые волны
Рис. 9. Процесс ультразвуковой окорки лесоматериала.
На рис. 10 и 11 показаны зависимости температур в слоях коры и оце­
ночного коэффициента от расстояния между излучателем и обрабатываемым
лесоматериалом.
20
О
20
40
60
80
100
120
Расстояние между излучателем и лесоматериалом L', мм
-*—Корка -^—Лубяной слой -Лг~ Камбиальный спой
Рис. 10. Зависимость температуры в слоях коры и расстояния L'.
О
20
40
60
80
100
120
Расстояние между излучателем и лесоматериалом L', мм
Рис. 11. Зависимость относительного оценочного коэффициента и
расстояния L'.
Процесс ультразвуковой окорки обусловлен рядом явлений, возни­
кающих в ультразвуковом поле: кавитацией, акустическими течениями, дав-
21
лением звукового излучения, звукокапиллярным эффектом. Эффективность
окорки зависит от параметров звукового поля, определяемого источниками
акустической энергии, - частоты колебаний, интенсивности звука. На эффек­
тивность УЗ окорки влияют также внешние факторы, такие, как температура
и гидростатическое давление в жидкости.
В процессе УЗ окорки происходит разрушение камбиального слоя за
счёт его кипения, и разрушение частей коры посредством кавитационного
явления и давления на поверхность лесоматериала.
Для осуществления необходимого режима ультразвуковой окорки ле­
соматериала необходим также набор ращюнальных значений интенсивности
ультразвука и частоты колебаний. С повышением частоты кавитационный
пузьфёк не достигает конечной стадии захлопьгеания, что снижает микро­
ударные действия кавитации. Чрезмерно понижать частоту нежелательно изза резкого возрастания шума, а также увеличения размеров излучателя. На
рис. 12. изображена схема взаимосвязи физических факторов, влияющих на
ультразвуковую окорку лесоматериалов.
Ультразвуковая окор­
ка лесоматериалов
Кавитационная эрозия
£
Эмульгирование
Кавитация
Акустические потоки
Ш
Растворение
Радиационное давление
Звукокаоиллярный
?ффе1сг
Статичесхое
давление
■ГГз
|f
■"^
Акустические
эМекты
"^ttf'
Звуковое
давление 1Тг
Частота
Параметры
звукового поля
4
К:
/vJdQm
Темпеиатура
"ПС1
Повеохностное натяжение
Физические свойства
жнлкоств
Рис. 12. Схема взаимосвязи физических факторов, влияющих на
ультразвуковую окорку лесоматериалов.
22
Четвёртая глава посвящена разработке технологической схемы ульт­
развуковой окорки лесоматериалов, определение часовой и годовой произво­
дительности и определению экономической эффективности и срока окупае­
мости.
Технологическая схема процесса ультразвуковой окорки лесоматериа­
лов заключается в следующем (рис. 13, 14).
Vi
1 - бассейн; 2 - желоб; 3 - обрабатываемый лесоматериал;
4 - ультразвуковая колебательная система
Рис. 13. Схема технологического процесса окорки лесоматериалов
ультразвуком.
После того как лесоматериал разгружается с лесотрансгюртного авто­
поезда в бассейн 1 его направляют в желоб 2, с определённым уклоном а для
осуществления продвижения лесоматериала по желюбу.
Обрабатываемый лесоматериал продвигаясь по желобу с определён­
ной скоростью V проходит через зону окорки с ультразвуковой колебатель­
ной системой 4, где гидродинамические возмущения задают лесоматериалу
вращение со скоростью ш. Окорённый лесоматериал подаётся на транспортёр
и далее - на переработку. Элементы коры собираются, а вода возвращается в
бассейн посредством водяного насоса.
23
Загрузка лесома­
териала в бассейн
Поступление лесо­
материала в желоб
f
Сбор коры
Ультразвуковая
окорка
J
Подача окорённого
лесоматериала на
транспортёр
Рис. 14. Технологическая схема ультразвуковой
лесоматериалов
окорки
П я т а я глава посвящена разработке технологической модели процесса
ультразвуковой окорки лесоматериалов с учётом требований экологии.
Исходя из целевого предназначения ультразвуковой технологии окор­
ки лесоматериалов необходимо исследование проблем экологической безо­
пасности и факторов, обеспечивающих рациональное использование сырья и
качество получаемых продуктов.
К а к известно ультразвук и ультразвуковые технологии могут быть
вредны для окружающей среды и человека. Степень "опасности" ультразвука
определяется техническим приложением или качеством проектирования тех­
нологического процесса ультразвуковой окорки лесоматериалов. Рассматри­
вая технологический процесс с точки зрения экологии было определено, что
данная технология может быть реализована по незамкнутому циклу (рис. 15).
Ультразвук
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ
ПРОЦЕСС УЛЬТРАЗВУКОВОЙ
ОКОРКИ
Лесомате­
риал
Рис. 15. Незамкнутый технологический процесс ультразвуковой
окорки лесоматериалов
24
Это обуславливается тем, что ультразвуковая колебательная система и,
соответственно, процесс окорки лесоматериалов осуществляется в воде.
В водной среде ультразвуковые колебания преобразуются в гидроди­
намические возмущения, что определяет изолированность процесса, и в по­
следующем не является опасным для окружающей среды и человека.
ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ
На основании проведенных исследований и полученных результатов
сделать следующие выводы и предложить рекомендации для практического и
теоретического использования результатов исследований.
1. Определены оптимальные параметры ультразвуковой колебатель­
ной системы для окорки лесоматериалов, и установлено, что оптимальными
являются концентраторы экспоненциального типа, и излучатели с экспонен­
циальным волноводом.
2. Определёп диапазон частот ультразвукового излучения для окариваемьпс лесоматериалов с учётом резона)!Сного состояния.
3. Определены характеристики процесса окорки лесоматериалов, ус­
ловный оценочный коэффи1щент очистки коры и оптимальный диапазон рас­
стояния между обрабатываемым лесоматериалом и излучателем.
4. Выявлена взаимосвязь физических факторов, влияющих на ультра­
звуковую окорку лесоматериалов.
5. Разработан алгоритм экологической эффективности при разработке
технологического процесса ультразвуковой окорки лесоматериалов.
6. Внедрение технологического процесса окорки лесоматериалов
ультразвуком позволит повысить производительность окорки на 36-40% от­
носительно окорочного станка ОК63-2 при равных производственных усло­
виях.
Список публикаций по теме диссертации:
1. Гаспарян Г.Д. Технологический процесс окорки лесоматериалов с
помощью ультразвукового излучения // Естественные инженерные науки развитию регио1юв: Материалы межрегиональной научно-технической кон­
ференции / Козинов Г.Л. - Братск: БрГТУ, 2002. - с. 70 - 71 (0,125 п.л.)
2. Гаспарян Г.Д. Технологический процесс окорки лесоматериалов с
помощью ультразвукового излучения // Труды Братского государственного
технического университета - Том 2 / Козинов Г.Л. - Братск: БрГТУ, 2002. - с.
247-249 (0,2 п.л.)
3. Гаспарян Г.Д. Технологический процесс окорки лесоматериалов с
помощью ультразвукового излучения / Братск, гос. техн. ун-т, - Братск, 2002.
- 7с. (0,44 П.Л.): 1 илл. - Библиогр. 3 назв. - Рус. - Деп. в ВИНИТИ
4. Гаспарян Г.Д. Окорка сортиментов ультразвуковым излучением.
Социально-экономические и экологические проблемы лесного комплекса:
25
Сб. матер, междунар. науч.-техн. конф. / Урал. гос. лесотехн. Ун-т. - Екате­
ринбург, 2003. - с. 202 ~ 204 (0,2 п.л.)
5. Гаспарян Г.Д. Определение технологичности колебательной систе­
мы при ультразвуковой окорке лесоматериалов / Братск, гос. техн. ун-т. Братск, 2004. - 20 с. (1,25 п.л.): ил. - Библиогр. 4 назв. - Рус. - Деп. в
ВИНИТИ.
6. Гаспарян Г.Д. Математическое моделирование ультразвуковой ко­
лебательной системы/ Братск, гос. техн. ун-т. - Братск, 2004. - 11 с (0,7 п.л.):
ил. - Библиогр. 4 назв. - Рус. - Деп. в ВИНИТИ
7. Гаспарян Г.Д. Исследование процесса кипения камбиального слоя
посредством ультразвуковых волн. Процесс отслоения корки и луба // Есте­
ственные и инженерные науки - развитию регионов: Материалы межрегио­
нальной научно-технической конференции. - Братск: БрГТУ, 2004. - с. 161162 (0,125 п.л.)
8. Гаспарян Г.Д. Технолого-экологическая оптимизация процесса
окорки лесоматериалов с применением ультразвука // Естественные и инже­
нерные науки - развитию регионов: Материалы межрегиональной научнотехнической конференции. - Братск: БрГТУ, 2004. - с. 162 - 163 (0,125 п.л.)
9. Гаспарян Г.Д. Математическое моделирование ультразвуковой ко­
лебательной системы // Труды Братского государственного технического
университета. - Том 2. - Братск: ГОУ ВПО «БрГТУ», 2003. - с. 294 - 302
(0,56 п.л.)
10. Гаспарян Г.Д. Технолого-экологическая оптимизация процесса
окорки лесоматериа;юв с применением ультразвука // Труды Братского госу­
дарственного технического университета. - Том 2. - Братск: ГОУ ВПО
«БрГТУ», 2003. - с. 303 - 307 (0,3 п.л.)
11. Гаспарян Г,Д. Разработка математической модели ультразвуковой
колебательной системы // Лесной и химический комплексы - проблемы и
решения (экологические аспекты): Научно-практическая конференция. Сбор­
ник статей студентов и аспирантов. - Красноярск: СибГТУ, Часть 2, 2004 - с.
197-200 (0,25 п.л.)
12. Гаспарян Г.Д. Разработка технолого-экологической модели при
технологическом процессе окорки лесоматериалов // Лесной и химический
комплексы - проблемы и решения (экологические аспекты): Научнопрактическая конференция. Сборник статей студентов и аспирантов. - Крас­
ноярск: СибГТУ, Часть 2,2004 - с. 200 - 202 (0,19 п.л.)
Ваш отзыв в 2-х экз. заверенный гербовой печатью предприятия просим на­
правлять по адресу: 665709, г. Братск, ул. Макаренко 40, ученому секретарю
Совета Светлане Анатольевне Чжан.
Отпечатано с готового оригинал-макета
в мини-типографии «Падунская»
г, Братск, ул. 25 лет БГС 43а
ИП св-ЕО Ко 7169п Лицензия ПД 13-0012.
Подписано в печать 22,09.2005 г.
Сдано в производство 22.09.2005 г.
Формат 60 X 84 1/16. Печать трафаретная.
Уч. - изд. л. 1,3 Усл. п. л. 1,3
Тираж 100 экз. Заказ 2899
»185бе^
РПБ Русский фонд
2006-4
19967
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
1
Размер файла
1 067 Кб
Теги
bd000101030
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа