В настоящее время на территории лесосеки лесозаготовители оставляют от 20 до 30% отходов, к кото-рым относится низкотоварная древесина в виде вершин, сучьев, ветвей, пней, надломленных деревьев. Даль-нейшее использование такого рода древесины идет на сжигание и захоронение на территории лесосеки при больших затратах машинного и трудового времени. На наш взгляд, отходы лесозаготовок является ценной сырьевой базой для лесозаготовительных и деревоперерабатывающих производств и их можно и нужно ис-пользовать для дальнейшей переработки в древесноволокнистый полуфабрикат. Существующие технологии и оборудование по переработке порубочных остатком не позволяют в полной мере получать готовую продукцию в виде древесного волокна. В результате переработки лесосечных отходов по современным технологиям можно получить готовую продукцию из дровяных дров и топливной щепы. Разработанные нами технология и оборудование позволят получать древесноволокнистый полуфабрикат из лесосечных отходов на территории лесосеки. Такое древесное волокно может использоваться как дополнительное сырье в производстве древесноволокнистых плит различной плотности, которые могут найти применение в домостроении, мебелестроении и т.п. Предложена конструкция роторно-ножевой мельницы, позволяющей получать древесное волокно из отходов лесозаготовок. Предлагаемая роторно-ножевая мельница согласуются с различными существующими в лесопромышленном комплексе технологиями заготовки древесины. Таким образом, использование мельницы позволяет вовлекать в производство волокна в качестве сырья порубочные остатки. Более полное использование лесных ресурсов даст отечественному лесному комплексу не только дополнительную доходность, но и улучшит санитарное состояние, обеспечит снижение пожарной опасности на вырубленных лесных площадях.
размол, древесноволокнистый полуфабрикат, роторно-ножевая мельница, лесосечные отходы, комплексное использование древесины, гидродинамическая среда, аэродинамическая среда
ВВЕДЕНИЕ
В процессе лесозаготовительных работ образуются отходы, к которым принято относить: ветки и сучья, вершина, крона, мелкие деревья, кустарники, надломленные деревья, пни и корни [4]. Количество лесосечных отходов может достигать до 25% относительно стволовой части растущего дерева [3, 8]. В России с 2013 по 2017 гг. лесосечные отходы составляли свыше 22 млн кубических метров в год. Стоит отметить, что только 2 млн в год отходов используется рационально, а остальной объем подвергается сжиганию и захоронению на территории лесосеки с большой затратой рабочего и машинного времени [3, 12].
Для решения задачи повышения эффективности использования промышленных отходов растительного происхождения разработана система комплексной переработки древесины, которая позволяет сортировать по видам и породам отходы растительного происхождения, транспортировать и перерабатывать их в кондиционную щепу.
С целью реализации системы был разработан способ сортировки порубочных остатков, который характеризуется машинизацией операции сортировки порубочных остатков по их видам и породам [10].
Для осуществления данного способа был разработан прицеп форвардера, который позволяет осуществлять сортировку и транспортировку веток, вершин и сучьев [4, 9].
Одним из приоритетных направлений использования отсортированных по видам и породам отходов можно перерабатывать в кондиционную щепу. В результате с целью получения кондиционной щепы из порубочных остатков в систему комплексной переработки лесосечных отходов решения поставленной цели в систему комплексного использования древесины включена усовершенствованная модернизированнаямобильная многорезцовая рубительная машина, позволяющая перерабатывать лесосечные отходы в кондиционную щепу [4].
В дальнейшем щепа, полученная из отходов лесозаготовок, используется в производстве твердого топлива в виде древесных пеллет или подвергаться сжиганию на территории лесосеки [6, 7,]. На наш взгляд приоритетным направлением использования щепы из лесосечных отходов является получение древесноволокнистого полуфабриката, который можно использовать в качестве дополнительного сырья в производстве плитной или целлюлозно-бумажной продукции[1,11,13].
Cуществующее размалывающее оборудование не позволяет получать древесноволокнистый полуфабрикат в условиях лесозаготовок ввиду того, что размол на таком оборудовании осуществляется в водной среде, где значительная часть энергии расходуется на преодоление гидродинамического сопротивления, а также отсутствие мобильности существующего размалывающего оборудования [5,14,15].
Рис. 1. Роторно-ножевая мельница
В результате вышесказанного, целью настоящей работы является повышение эффективности использования отходов лесозаготовок за счет внедрения в систему комплексного использования древесины усовершенствованного размалывающего устройства, позволяющего получать древесноволокнистый полуфабрикат из порубочных остатков на территории лесозаготовок.
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ
Материалами исследования в процессе работы послужили научные статьи, размещённые в журналах, публикации, диссертации, учебная литература и электронные ресурсы.
Для достижения цели исследования используется системный и комплексный подход. Применительно к научной проблематике использован комплекс современных методов исследований: числового моделирования, физический, математического планирования и статистического анализа.
Усовершенствованная роторно-ножевая мельница (Рис1) работает следующим образом: щепа поступает через загрузочный патрубок 1 в первую зону размола характеризующуюся механическим воздействием на щепу и пучки волокон [2]. В первой зоне происходит размол щепы и пучков волокон в регулируемом рабочем зазоре величиной от 0,1 мм до 5 мм между ножами 2 с углом заострения 33○-36○ установленными по четыре ножа в каждую из двух фрез 3 и контрножом 4 с углом заострения 40○- 45○ за счет сил резания, смятия, сплющивания. После того, как древесные волокна выходят из рабочего зазора, они попадают во вторуюзону размола, характеризующуюся роспуском, мятием, разбиванием и фибриллированием древесных волокон в пространстве между ножами ротора 2 и поверхностью сепараторов 5. Древесное волокно, имеющее требуемые геометрические размеры, проходит через отверстия сепараторов 5 и попадает в отсек между двух открывающихся люков 6 и крышки 7. После наполнения отсека люки 6 открываются и полученный древесноволокнистый полуфабрикат выгружается.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЯ
Конструктивными особенностями данной роторно-ножевой мельницы являются нож с ножевыми отверстиями (Рис. 2) и сектора рифленых планок (Рис. 5).
Рис. 2 – Нож ротора с ножевыми отверстиями
Как показано на Рис.1, расстояние от вершины основания до отверстий, предназначенное для крепления устройства в держателе, должно составлять а=70-80 мм. Отверстия выполнены таким образом, чтобы межосевое расстояние составляло b = 17-19 мм, а между осями и краем основания c = 20-22 мм. Расстояние от передней грани ножа до маркера индикации износа составляет е= 20-25 мм и предназначено для запаса металла перед заточкой ножа. Угол наклона передней грани составляет Ɣ=35-37° для создания необходимого удельного давления в зазоре между ротором и статором, которое необходимо для размола древесных частиц. Толщина основания ножа составляет t=20-25мм.
Каждое отверстие имеет 18 острых зубьев (Рис. 2), высота которых составляет h=0.5-1.0 мм и углом при вершине a=39-41 градус.
В процессе переработки в роторно-ножевой мельнице происходит размол древесных частиц передней гранью 1, которое сопровождается силами смятия, раздавливания и резания. Далее волокна, имеющие требуемые геометрические размеры, проходят через отверстия 3, выполненные в основании ножа 2, и подвергаются дополнительному фибриллированию благодаря острым зубьям. Зубья высотой h=0.5-1.0 мм и углом при вершине a=39-41 градус (Рис. 3) способствуют как внутреннему, так и внешнему фибриллированию, разделению волокна по фракциям и при этом не уменьшают площадь проходного сечения отверстия.
Рис.3.Разверта отверстия с острыми зубьми
Сохранение постоянства выступа устройства и величины рабочего зазора осуществляется с помощью двух регулировочных отверстий 4 (Рис.4). Регулировочные отверстия 4 расположены на расстоянии k=15-20 мм от боковой грани устройства.
Рифленая планка (Рис.5) состоит из ножей 1 в количестве 25 штук, межножевых ячеек 2, отверстий с зубьями 3, выполненных в межножевых ячейках, в количестве 26 штук на каждой.
Рис.4. Регулировочные отверстия ножа
Как показано на Рис.5, толщина рифленой планки составляет t= 9-12 мм и ширина составляет b1 =190-200 мм при главном угле, равном a=40-43 градуса (Рис 6).
Ширина межножевой ячейки составляет b2=5-6 (Рис.6). Ширина ножа планки составляет l=3-4 мм, а высота составляет h1=1-2 мм (Рис.6).
Рис.5. Сектор рифленой планки с ножевыми отверcтиями
Таким образом, соотношение ширины ячейки к высоте ножа каждой планки равным 3/2 при циклической элементарной длине размола равной 46,2-51,7 м. Если данное соотношение размеров ширины ячейки и длины ножа больше 3, то циркуляция древесноволокнистой массы в межножевой ячейке практически будет отсутствовать, канавки просто забьются массой, снижая ударную нагрузку на кромки ножа, образуя ровную поверхность. Соотношение размеров с размерами меньше 2 будет способствовать снижению прочности ножа рифленой планки и повышенному износу рабочей поверхности ножей.
При таком соотношении количество движущихся точек пересечения ножей планок статора с ножами крестовины ротора остается постоянным и равно единице, что способствует повышению эффективности размола растительного сырья и улучшению качества получаемого древесноволокнистого полуфабриката.
Каждое отверстие имеет 18 острых зубьев (Рис.7), высота которых составляет 
h1=0.7-1.0 мм и углом при вершине β=33-35 градусов.
Отличительной особенностью предлагаемой размалывающей установки является размол, проходимый в три стадии. Рассмотрим более детально процесс размола древесины в предлагаемой роторно-ножевой установке, разбив процесс на стадии.
Первая (начальная) стадия процесса размола (Рис. 8) будет происходить в зазоре между контрножом 1 и ножом фрезы 2. На данной стадии размола происходит разрушение относительно крупных частиц. Необходимо принять во внимание тот факт, что при попадании в размольную камеру древесина имеет различный размер частиц. Исходя из этого, на первой стадии размола будет происходить механическое воздействие на древесные частицы в результате чего они будут способны размалывать непосредственно на второй стадии процесса размола ввиду уменьшенных геометрических размеров.
Рис.6. Рифленая планка в разрезе
Рис.7. Развертка ножевого отверстия рифленой планки
Рис.8. Первая стадия размола
Вторая (промежуточная) стадия процесса размола (Рис.9) будет происходить в зоне контакта ножа фрезы 2 и впадины между рифлеными планками 1. На данной стадии размола происходит разрушение тех древесных частиц, которые уже не подлежат размолу на первой стадии и не способны пройти третью стадию ввиду их относительно большого размера по сравнению с размерами отверстий непосредственно рифленых планок.
Третья (заключительная) стадия процесса размола (Рис.10) будет происходить в зазоре между рифленой планкой 1 и ножом фрезы 2. На данной стадии размола происходит окончательное разрушение древесных частиц, которое происходит следующим образом: при надвигании ножа фрезы на ножи рифленой планки происходит смятие древесной частицы; после прохождения ножа рифленой планки происходит частичное отделение древесины; отделившаяся древесина попадает в отверстие рифленой планки, а оставшаяся древесина движется к следующему ножу рифленой планки и эффект повторяется снова.
ВЫВОДЫ
Разработанная роторно-ножевая мельница имеет ряд преимуществ по сравнению с существующими аналогами:
-способность получать древесноволокнистый полуфабрикат на территории лесосеки за счет мобильности установки;
- получение древесноволокнистой массы в аэродинамической среде, что исключает большие расходы энергии на преодоление гидродинамического сопротивления, а также сточные воды, что улучшает экологическую обстановку.
Как показали результаты литературных и экспериментальных[1-15]исследований, внедрение усовершенствованной роторно-ножевой мельницы в систему комплексной переработки древесины позволит повысить эффективность использования лесосечных отходов с 10% до 80% за счет получения древесного волокна. Древесное волокно можно использовать в качестве дополнительного сырья в производстве плитной продукции, домостроении, мебелестроении и т.п.
Рис.9. Вторая стадия размола
Рис.10. Третья стадия размола
Исследование выполнено при поддержке Красноярского краевого фонда науки в рамках конкурса по организации участия студентов, аспирантов и молодых ученых в конференциях, научных мероприятиях и стажировках 2018 года
1. A. Pizzi Advanced Wood Adhesives Technology. / Pizzi A. - Basel: Marcel Dekker Inc., 1994. -289р.
2. Der Einfluss des Feinstoffs auf die Faserstoff- und Papiereigenschaften / Alber W., Erhard K., Reinhardt B. // Wochenbl. Papierfabr. : Fachzeitschrift fur die Papier -, Pappen - und Zellstoff-Industrie. 2000. №19. ss. 1308-1312.
3. Безруких Ю.А. Медведев С.О., Алашкевич Ю.Д., Мохирев А.П. Рациональное природопользование в условиях устойчивого развития экономики промышленных предприятий лесного комплекса // Экономика и предпринимательство, 2014. -№ 12-2. - С. 994-996.
4. Зырянов М.А., Мохирев А.П., Сыромятников С.В.. Проектирование и моделирование оборудования для повышения эффективности использования порубочных остатков // Ремонт. Восстановление. Модернизация. 2017. № 3 . С. 31-33.
5. Матыгулина В.Н., Рубинская А.В., Чистова Н.Г., Алашкевич Ю.Д. Выбор оптимальных режимов про-цесса производства древесноволокнистых плит средней плотности // Химия растительного сырья. 2011. - №4. - С. 315-317.
6. Медведев, С.О. Соболев С.В., Степень Р.А. Возможности рационального использования древесных от-ходов в Лесосибирскомлесопромышленном комплексе. Инженерный вестник Дона, №2 (2018) ivdon.ru/ru/magazine/archive/n2y2018/4904 © Электронный научный журнал «Инженерный вестник Дона», 2007-2018 лесопромышленном комплексе: монография. - Красноярск: СибГТУ, 2010. - 85 с.
7. Морозов И. М. Подготовка вторичного волокна при производстве древесноволокнистых плит мокрым способом [Текст]: дис. ... канд. техн. наук. - Красноярск, 2016. - 195 с.
8. Мохирев А.П., Аксенов Н.В., Шеверев О.В. О рациональном природопользовании и эксплуатации ре-сурсов в Красноярском крае // Инженерный вестник Дона, 2014, №4 URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/N4y2014/2569.
9. Пат. 167846 Рос. Федерация: МПК A01G 23/00. Прицеп форвардера / Мохирев А.П., Зырянов М.А. № 2015152472; заявл. 07.12.2015; опубл. 10.01.2017, Бюл. № 1. 7 с.
10. Пат. 2624738 Рос. Федерация: МПК A01G 23/02. Способ сортировки порубочных остатков / Мохирев А.П., Зырянов М.А., Безруких Ю.А.. № 2015149090; заявл. 16.11.2015; опубл. 06.07.2017, Бюл. № 19, 8 с.
11. Петрушева Н.А., Чистова Н.Г., Зарипов З.З., Чижов А.П., Алашкевич Ю.Д. Эффективность использо-вания вторичного волокна в производстве древесноволокнистых плит // Химия растительного сырья. 2009. - №2. - С. 145-148.
12. Чистова Н.Г.Переработка древесных отходов в технологическом процессе получения древесноволокнистых плит [Текст]: дис. ... докт. техн. наук. - Красноярск, 2010. - 461 с.
13. Чистова Н.Г. Производство древесноволокнистых плит сухим способом // Химия растительного сы-рья. 2009. - №2. - С. 141-144.
14. Чистова Н.Г., Алашкевич Ю.Д. Оптимизация процесса размола в производстве древесноволокнистых плит // Известия высших учебных заведений. Леснойжурнал. 2009. - №4. - 129-132.
15. Чистова Н.Г., Алашкевич Ю.Д. Подготовка древесного волокна в производстве древесноволокнистых плит // Известия высших учебных заведений. Леснойжурнал. 2009. - №4. - 123-128.
