ВведениеКомплексная и эффективная переработка всей заготавливаемой фитомассы древесины, включая кроновую часть и, в ряде случаев, пнево-корневую древесину, а также низкокачественную и низкотоварную древесину, повышает эффективность лесного комплекса в целом [1, 2].Выращивание лесных плантаций энергетического назначения (топливных плантаций) широко распространено в мире, и в ближайшее время ожидается распространение этой практики и в Российской Федерации [3-6].Одним из наиболее распространенных видов топлива из древесины являются топливные брикеты, которые могут иметь достаточно широкий спектр применения, включая лесные терминалы (непостоянные лесопромышленные склады) [7-10].Теории и практике брикетирования измельченного древесного сырья посвящено большое количество работ отечественных и зарубежных исследователей. Подробный анализ актуального состояния вопроса в области теории брикетирования отходов лесопереработки выполнен в [12], результаты теоретических исследований в области использования гидравлических прессов для брикетирования обсуждаются в [13]. В работе [14] представлена математическая модель прессования брикета из измельченных древесных материалов с учетом изменения физико-механических свойств сырья в процессе уплотнения; приведены зависимости, позволяющие обосновать давление прессования, требующееся для формирования брикета с плотностью свыше 1 г/см3. В исследованиях [15, 16] представлены математические модели, позволяющие учесть влияние реологических свойств брикетируемого сырья и скорости прессования на силовые показатели процесса. В работе [17] приводятся разработки по моделированию влияния формы брикета на давление и скорость прессования с учетом реологических свойств сырья; рассчитываются показатели процесса получения брикетов округлой формы.В исследованиях зарубежных ученых приводятся результаты экспериментов в области производства брикетов и пеллет [18, 19]. Представляют интерес экспериментальные исследования в области изучения влияния параметров обработки сырья на показатели качества топливных брикетов [20-22].Но подавляющее большинство известных публикаций по данному вопросу посвящено подготовке древесной массы к брикетированию и различным аспектам прессования при производстве топливных брикетов на стационарном оборудовании и получении высокоплотных брикетов.Материалы и методыНастоящее исследование выполнено в рамках научной школы «Инновационные разработки в области лесозаготовительной промышленности и лесного хозяйства» и ориентировано на брикетирование лесосечных отходов в условиях лесного терминала, в связи с чем непосредственно прессование брикета изучали как составную часть процесса, реализуемого установкой, схема которой представлена на рис. 1. Рисунок 1. Установка брикетирования измельченных отходов: 1 - ленточный транспортер; 2 - бункер;3 - дозатор; 4 - конус; 5 - пуансон; 6 - шток гидроцилиндра; 7 - гидроцилиндр; 8 - рама пресса;9 - гидростанция; 10 - маслопровод; 11 - матрица;12 - электроцилиндр; 13 - камера охлаждения;14 - вентилятор; 15 - транспортер к газогенератору;17 - топливный брикет; 18 - пульт управления; 19 - упор; 20 - пружины; 21 - топливный брикетFigure 2. Installation for briquetting crushed waste: 1 - belt conveyor; 2 - hopper; 3 - dispenser; 4 - cone; 5 - punch;6 - hydraulic cylinder rod; 7 - hydraulic cylinder; 8 - press frame; 9 - hydro station; 10 - oil line; 11 - matrix;12 - electric cylinder; 13-cooling chamber; 14 - fan; 15 - conveyor to the gas generator; 17 - fuel briquette; 18 - control panel; 19 - stop; 20 - pru - gins; 21-fuel briquetteИсточник: собственная композиция авторовSource: author’s compositionУстановка работает следующим образом. Горячая щепа транспортером 1 поступает в бункер 2 и далее в дозатор 3. Дозированное количество щепы (700 г) поступает в пресс-конус 4, где включается первый гидроцилиндр 7 и телескопический пуансон 5 прессует щепу в матрицу 11, где происходит формообразование брикета с диаметром 90 мм и высотой 100 мм. В таком положении происходит выдержка в течение 20 с. После этого давление в гидроцилиндре плавно снижается до атмосферного. Пружины 20 отделяют матрицу 11 от пресс-конуса 4 и упора 13, включается электроцилиндр (механотронный модуль) 12, который перемещает матрицу 11 с брикетом 21 к камере охлаждения 13 длиной 300 мм. Включением второго гидроцилиндра 7 брикет 21 заталкивается в камеру охлаждения 13, которая за счет вентилятора 14 обдувается холодным воздухом, забираемым с улицы. За счет этого цилиндрическая поверхность брикета охлаждается и, начиная с четвертого хода поршня, брикет 17 свободно выпадает из камеры охлаждения и падает на ленточный транспортер 15, идущий к газогенератору. Через 2-3 мин брикет попадает в топку газогенератора и обеспечивает равномерное выделение тепла при горении. Установка брикетирования позволяет использовать практически весь диапазон древесных частиц, получаемых на рубительных машинах различного класса, а также повысить равномерность и скорость выделения газов в газогенераторе. Непосредственно прессование брикетов производилось на механотронном модуле, элементы которого представлены на рис. 2–4. На рис. 2 представлен механотронный модуль без прессующего конуса и матрицы, на рис. 3 – конус и матрица в сборе, на рис. 4 – конус с дозой щепы и матрица с запрессованным брикетом. Рисунок 2. Механотронный модуль прессования брикетов: 1 – электроцилиндр; 2 – пресс-форма;3 – крышка прессформы, 4 – механизм фиксации крышки с пресс-формой; 5 – пуансонFigure 2. Mechanotron module for pressing briquettes:1 – electric cylinder; 2 – mold; 3 – preform cover,4 – mechanism for fixing the lid with the mold; 5– punchИсточник: собственная композиция авторовSource: author’s composition Технические характеристики установки приведены в табл. 1.Получение брикетов происходило следующим образом. Щепа различной влажности, размеров и температуры помещалась в конус, установленный на матрице.Количество щепы колебалось от 500 г до 800 г, что соответствовало плотности брикета 500-800 кг/м3.Т а б л и ц а 1Технические характеристики установкибрикетированияT a b l e 1Technical characteristics of the briquetting plant№Наименования показателя | Indicator namesРазмерность | DimensionЗначения | Values1Размеры (длина) древесных частиц, | Dimensions (length) of wood particlesminmax     мм |  mmмм | mm     3302Влажность частиц | Particle humidity%15-253Порода древесины | Wood typeсосна, осина, ель, береза | pine, aspen, spruce, birch4Содержание зелени, не более | Green content, no more than%205Размеры брикета: | Briquette dimensionsдиаметр | diameterВысота | Heightмм |mm   901006Масса брикета | Briquette weightкг | kg0.77Плотность брикета | Briquette densityкг/м3 | kg/m3750-8008Усиление гидроцилиндра | Hydraulic cylinder reinforcementт | t509Габариты установки | Installation dimensions Длина | LengthШирина | WidthВысота | Height   м | mм | mм | m   41.61.410Масса установки | Installation weightт | t2.911Производительность установки | Installation performanceкг/ч |kg/h56 Рисунок 3. Узлы прессования механотронного модуля:1 – прессующий конус; 2 – матрица; 3 – прессформаFigure 3. Pressing units of the vacuum tube module:1 – pressing cone; 2 – die; 3 – moldИсточник: собственная композиция авторовSource: author’s composition  Рисунок 4. Прессующий конус и матрицас древесиной: 1 – конус; 2 – щепа; 3 – матрица;4 – прессованный брикетFigure 4. Pressing cone and die with wood: 1 – cone;2 – wood chips; 3 – matrix; 4 – pressed briquetteИсточник: собственная композиция авторовSource: author’s composition При этом усилие электроцилиндра развивалось в интервале 12-25 т, что соответствовало удельному давлению 20-45 МПа. Конец штока электроцилиндра снабжен телескопическим пуансоном, который менял свой диаметр от 140 до 90 мм. Конус с приемником укладывались в пресс-форму, крышка закрывалась, и шток электроцилиндра проталкивал щепу в приемнике, формируя брикет высотой 100 мм и диаметром 90 мм. Обратным движением штока брикет в матрице извлекался из пресс-формы и проходил кондиционирование, а в пресс-форму устанавливался конус с новым приемником, и операция повторялась.Используемая в экспериментах щепа состояла на 80 % из древесины сосны и на 20 % из древесины березы. Состав сырья принимали постоянным: это щепа без фракционирования размерами длина 3-30 мм, ширина 1-15 мм, толщина 1-10 мм. Допускалось включение 1-3 % опилок. Влажность щепы задавалась параметрами сушильной камеры, для экспериментов принят диапазон от 5 до 30 %.При проведении исследований ориентировались на плотность брикета в диапазоне 500-1000 кг/м3, для чего массу прессуемой щепы принимали 500 г, 600 г, 700 г, 800 г.Температура щепы, выходящей из сушилки, составляет 80-90 °С, в процессе прессования температура составляла 80±5 °С.Время выдержки в пресс-форме определяется конструкцией установки и в экспериментах исследовалось в диапазоне от 20 с до 12 мин. В качестве индикатора процесса определялась распрессовка брикета после выталкивания его из матрицы. Поскольку увеличение диаметра брикета незначительное (0,5-1 мм), то контролировалось изменение его высоты. Плотность и влажность брикетов определялась по ГОСТ 16483.1-84 и ГОСТ 16483.7-71 сразу после выпрессовки из матрицы.Число наблюдений в опытах подбирали таким образом, чтобы обеспечить оценки критериев воспроизводимости опытов и адекватности математических моделей при мощности 0,05, что является общепринятым для исследований в области брикетирования растительного сырья.Результаты и обсуждениеДавление прессования связано с конечной плотностью брикета и, в меньшей степени, с влажностью и температурой сырья. Средние результаты экспериментальных замеров (по 3 наблюдениям) представлены на рис. 5.В результате пересчета экспериментальных данных получим оценку взаимосвязи напряжения сжатия и относительной деформации материала брикета (рис. 6).Экспериментальные данные практически точно описываются степенными функциями                          ,                                                (1)где σ – сжимающее напряжение, ε – относительная деформация сжатия, числовые значения коэффициентов a, b представлены в табл. 2.Высота брикета, т.е. размер в направлении прессования, является определяющей величиной, влияющей на его стабильность. Рисунок 5. Взаимосвязь давления прессования и плотности брикета в матрице: 1 - влажность 10 %, температура 20 °С; 2 - влажность 10 %, температура 100 °С; 3 - влажность 15 %, температура 20 °С;4 - влажность 15 %, температура 100 °С; 5 - влажность 20 %, температура 20 °С; 6 - влажность 20 %, температура 100 °СFigure 5. The relationship between the pressing pressure and the density of the briquette in the matrix: 1 - humidity 10 %, temperature 20 °C; 2 - humidity 10%, temperature 100 °C;3 - humidity 15%, temperature 20 °C; 4 - humidity 15%, temperature 100 °C; 5 - humidity 20%, temperature 20 °C;6 - humidity 20%, temperature 100 °CИсточник: собственные измерения авторовSource: authors ' own measurements После выпрессовки брикета в нем срабатывают упругие силы и его высота со 100 мм увеличивается до 115-120 мм для плотности 500, 600 и 700 кг/м3.Обработка опытных данных показала, что с точностью, достаточной для практических расчетов, функция распрессовки брикетов по времени может быть представлена экспоненциальной зависимостью                      ,                           (2)параметры которой представлены в табл. 2. Рисунок 6. Взаимосвязь напряжения сжатия и относительной деформации материала брикета в матрице: 1 – влажность 10 %, температура 20 °С;2 – влажность 10 %, температура 80 °С; 3 – влажность 15 %, температура 20 °С; 4 – влажность 15 %, температура 80 °С; 5 – влажность 20 %, температура 20 °С; 6 – влажность 20 %, температура 80 °СFigure 6. The relationship between the compression stress and the relative deformation of the briquette material in the matrix: 1 - humidity 10%, temperature 20 °C; 2 - humidity 10%, temperature 80 °C; 3 - humidity 15%, temperature 20 °C; 4 - humidity 15%, temperature 80 °C; 5 - humidity 20%, temperature 20 °C; 6 - humidity 20%, temperature 80 °CИсточник: собственные измерения авторовSource: authors ' own measurementsТ а б л и ц а  2Результаты аппроксимации экспериментальных данныхT a b l e  2Results of experimental data approximationW, %Tabαβ1020116.033.10780.6975-0.0031080105.133.18630.6961-0.005152083.1923.10640.6916-0.01158069.983.11780.6832-0.012202060.0093.1239--208046.7163.1362--в таблице обозначено: W – абсолютная влажность, T – температура брикетируемого сырья, a, b – значения коэффициентов в формуле (1), α, β – значения коэффициентов в формуле (2)Восстановление размеров по высоте брикетов проиллюстрировано рис. 7, 8.  Рисунок 7. Изменение высоты брикетов при хранении:1 – 5 мин; 2 – 0,5 ч; 3 – 2 ч; 4 – 24 ч (брикеты получены при влажности 10 %, температуре 80 °С, времени выдержки в матрице 12 мин)Figure 7. Change in the height of the briquettes during storage: 1 - 5 min; 2 - 0.5 h; 3 - 2 h; 4 - 24 h (briquettes were obtained at a humidity of 10%, a temperature of 80 °C, a holding time in the matrix of 12 min)Источник: собственная композиция авторовSource: author’s composition Рисунок 8. Увеличение высоты брикетов в зависимости от времени хранения: 1 - влажность 15 %, температура 20 °С; 2 - влажность 15 %, температура 80 °С;3 - влажность 10 %, температура 20 °С; 4 - влажность 10 %, температура 80 °СFigure 8. Increasing the height of the briquettes depending on the storage time: 1 - humidity 15%, temperature 20 °C;2 - humidity 15%, temperature 80 °C; 3 - humidity 10%, temperature 20 °C; 4 - humidity 10%, temperature 80 °CИсточник: собственные измерения авторовSource: authors ' own measurements Таким образом, распрессовка брикетов, связанная с изменением деформации относительно брикета, еще не извлеченного из матрицы, представляется зависимостями, проиллюстрированными на рис. 9. Рисунок 9. Распрессовка брикетов в зависимости от времени хранения: 1 - влажность 10 %, температура 20 °С; 2 - влажность 10 %, температура 80 °С;3 - влажность 15 %, температура 20 °С; 4 - влажность 15 %, температура 80 °СFigure 9. Pressing of briquettes depending on the storage time: 1 - humidity 10%, temperature 20 °C; 2 - humidity 10%, temperature 80 °C; 3 - humidity 15%, temperature 20 °C; 4 - humidity 15%, temperature 80 °CИсточник: собственные измерения авторовSource: authors' own measurements ВыводыОбработка опытных данных показала, что с точностью, достаточной для практических расчетов, функция распрессовки брикетов по времени может быть представлена экспоненциальной зависимостью                      ,                           (2)параметры которой представлены в табл. 2.Дальнейшая обработка опытных данных позволила описать взаимосвязь напряжения сжатия при прессовании и деформации в виде многопараметрической функции (3)Кроме того, в результате обработки экспериментальных данных могут быть получены сведения о соотношении параметров реологической модели прессуемого сырья. При использовании реологической модели с параллельным соединением упругого и вязкого элемента на стадии восстановления формы относительная деформация пропорциональна величине  (Eд – модуль деформации, η – вязкость), структура данной формулы аналогична функции (2).Результаты экспериментов и их обработки будут использованы при реализации теоретической модели прессования измельченного древесного сырья на лесных терминалах.