ВведениеДля производства технологической щепы из древесины применя­ются рубительные машины разных типов [1], которые определяют количе­ственные и качественные показатели работы всего комплекса машин технологического потока от распиловки древесного сырья, окорки балансов, их рубки на щепу [2, 3] до сортирования щепы.В целлюлозно-бумажной промышленности [4] для поперечной распи­ловки древесины на стволы применяют круглые пилы различных мо­дификаций с общим названием пильные станки, обладаю­щие высокой производительностью. Следующей за распиловкой операцией является окорка. Это не­обходимо для обеспечения более высокой чистоты и качества продук­ции и полного использования оборудования, химикатов и других ма­териалов [5]. После окорки основной операцией традиционного метода приго­товления древесной щепы является измельчение древесины в рубитель­ных машинах [6].В условиях целлюлозно-бумажной промышленности в большей мере используются дисковые рубительные машины для получения щепы из древесины.Всевозможные типы рубительных машин, для удобства анализа и рассмотрения, распределены по отличительным конструктивным признакам. Существующие типы рубительных машин нами распределены по следующим основным группам: 1) малоножевые; 2) многоножевые; 3) многоножевые с геликоидальной поверхностью ножей и диска; 4) с горизонтальной подачей древесины; 5) с наклонным и горизонтальным диском; 6) планетарные; 7) для отходов лесопиления и деревообработки; 8) передвижные машины; 9) спиральные машины.На процесс рубки древесины оказывает влияние большое число факторов, вытекающих из свойств самой древесины и режи­мов рубки, а также из статической и кинематической геометрии ре­жущего инструмента [7, 8].Оценка каждой из моделей рубительных машин производится по качеству щепы, расходу энергии на ее получение и по конструктивным признакам машин, определяющим затраты, связанные с ее установкой и эксплуатацией. Энергетическая оценка рубительных машин производится по удельному расходу энергии, т.е. по количеству энергии, рас­ходуемой на единицу объема щепы.На сравнительную оценку рубительных машин различных ти­пов оказывают существенное влияние их производительность, мощ­ность и тип приводного двигателя, скорость вращения, число ре­жущих ножей, размеры ножевого диска, габарит и вес самой машины [9, 10], а также вид и размеры перерабатываемой древесины, способы ее подачи в машину и отвода от нее щепы.Материалы и методыДля анализа эффективности работы дисковых рубительных машин изучено множество научных материалов. В процессе поиска были рассмотрены труды как отечественных, так и зарубежных ученых. Литературный поиск проводился в различных базах данных и включал в себя не только электронные ресурсы (eLIBRARY, КиберЛенинка, Академия Google, Scopus, Web of Science) cо следующими  запросами: (дисковые рубительные машины) OR (измельчение порубочных остатков) OR (disc chippers) OR (wood chips), но и учебники, учебные пособия, диссертации из фондов научной библиотеки ВГЛТУ и Никитинской библиотеки за период с 1980 по 2020 годы.Патентный поиск проводили по базам данных ФИПС, Яндекс.Патенты и Lens.org., используя следующую форму запроса ключевых слов: (дисковые рубительные машины) OR (измельчение порубочных остатков) OR (disc chippers) OR (wood chips). Из патентного и систематического поиска были отобраны наиболее релевантные конструкции рубительных машин и проведен статистический анализ степени их сходства и различия по параметрам (количество ножей, сечение загрузочного устройства, габаритные размеры, масса) и режимам работы (мощность, производительность, скорость вращения диска). Оценку степени сходства и различия проводили с использованием иерархической диаграммы сходства, оценивающей удаленность признаков от центра на основании меры квадрата Эвклидова расстояния с помощью пакета прикладных программ (StatSoft Statistica v6.0 Rus).Результаты и обсужденияРезультаты сравнительного анализа параметров и режимов работы рубительных машин приведены в табл. 1 и 2, а также на рис. 1 и 2.Таблица 1 Сравнительный анализ параметров конструкций рубительных машинTable 1Comparative analysis of chipper design parametersМашина | MachineКоличество ножей, шт | Number of knives, pcsСечение загрузочного устройства, мм | Loading device section, mmГабаритные размеры (длина, ширина, высота), мм | Overall dimensions (length, width, height), mmМасса, кг | Weight, kgFARMI 260 OEM F3260 х 320не указано |not indicated1100Urban EM 1106800 х 600446х126х2351048ВРМх-3503100х100800х600х700140РБ-700-ЛГ-22 | RB-700-LG-224153х1371571х953х1214505ДРМ-3 |DRM-34153х1371570х1232х1152505SKORPION 120E2285х1651750х1300х2170590RM-1652165х1651800х1750х2380480МРН-10 |MRN-1016250х2502650х1700х17604553МРН-30 |MRN-3016250х2502650х1700х17604500 Окончание табл. 1Continuation of table 1МРГ-40 |MRG-4010580х3503610х2430х214512000М1000H8360х3603280х1390х35403200Yulong T-Rex6550A6500х500не указано |not indicated5430МРГ-20Н |MRG-20N12не указано |not indicated2660х1630х13703380Junkkari HJ 1724200х2002200х1600х2400585Urban TR 706700х4001000х1790х1480210М2004635х6353220х1670х2670900ТР-130 Linddana2886х8602362х1217х2136516Gandini 170 TPS3170x1701850х1250x1500550GreenMech Arbtrak 2004200х2803230х1410х26121600Источник: открытые данные производителейоборудования [11, 12, 13, 14] Source: open data from equipment manufacturers [11, 12, 13, 14] Рисунок 1. Иерархическая диаграмма сходстваи различия рубительных машинпо конструктивным параметрамFigure 1. Hierarchical diagram of the similaritiesand differences of chippers by design parametersИсточник: Собственные вычисления авторовSource: Authors' own calculationsТаблица 2Сравнительный анализ режимов работырубительных машинTable 2Comparative analysis of operating modes of chipping machinesМашина | MachineУстановленная мощность, кВт | Installed power, kWПроизводительность (по щепе), м3/ч | Productivity (for chips), m3 / hСкорость вращения диска, мин-1 | Disk rotation speed, min-1FARMI 260 OEM F5510-40540 / 1000Urban EM 11018,510160ВРМх-3505,521000-1500РБ-700-ЛГ-22 | RB-700-LG-22222,51500ДРМ-3 | DRM-32231500SKORPION 120E22121500RM-165153-101000МРН-10 | MRN-105510590МРН-30 | MRN-309030740МРГ-40 | MRG-4016040585М1000H5591500Yulong T-Rex6550A7515-25не указано |not indicatedМРГ-20Н | MRG-20N9020740Junkkari HJ 1723030540-1000Urban TR 70374540М20026не указано |not indicated1500ТР-130 Linddana18-45101000Gandini 170 TPS25-5012540GreenMech Arbtrak 2003321,7не указано |not indicatedИсточник: открытые данные производителейоборудованияSource: open data from equipment manufacturers Даграмму (рис. 1) можно разделить на шесть кластеров. В первый кластер входят девять рубительных машин (FARMI 260 OEM F, GreenMech Arbtrak 200, ВРМх-350, РБ-700-ЛГ-22, ДРМ-3, RM-165, Gandini 170 TPS, SKORPION 120E,  Junkkari HJ 172), во второй кластер – четыре машины (МРН-10, МРН-30, М1000H, МРГ-20Н), в третий – одна (Yulong T-Rex6550A), в четвертый – три (Urban EM 110, М200, Urban TR 70), в пятый – одна (ТР-130 Linddana), в шестой – одна (МРГ-40). В первый кластер вошли машины, которые имеют все низкие показатели. Во второй кластер включены машины, которые имеют большое число режущих ножей и большую массу при средних значения загрузочного устройства. Машина, входящая в третий кластер, имеет большое загрузочное устройство и вес и среднее количество ножей. В четвертом кластере собраны машины с большим загрузочным устройством, и средними показателями количества ножей и массы. В пятом машина с большим загрузочным устройством, и низкими показателями количества ножей и массы. В шестом – все показатели имеют высокие значения. Рисунок 2. Иерархическая диаграмма сходства и различия рубительных машин по режимам работыFigure 2. Hierarchical diagram of the similarities and differences of chippers by operating modeИсточник: Собственные вычисления авторовSource: Authors' own calculations Анализируя диаграмму (рис. 2), можно сказать, что она разделена на четыре кластера. В первый кластер входят шесть рубительных машин (FARMI 260 OEM F, Yulong T-Rex6550A, RM-165, Junkkari HJ 172, GreenMech Arbtrak 200, ТР-130 Linddana), во второй кластер – тоже шесть машин (МРН-10, Urban TR 70, Gandini 170 TPS, МРГ-40, МРН-30, МРГ-20Н), в третий – одна машина (Urban EM 110), в четвертый – шесть машин (ВРМх-350, РБ-700-ЛГ-22, ДРМ-3, SKORPION 120E, М200, М1000H). В первый кластер вошли машины, которые имеют все средние показатели. Во второй кластер включены машины, которые имеют высокую мощность, среднюю производительность и низкую скорость вращения диска. Машина, входящая в третий кластер, имеет все низкие показатели. В четвертом кластере собраны машины, с высокой скоростью вращения диска и низкими показателями мощности и производительности. Малоножевые рубительные машиныДля малоножевых рубительных машин (FARMI 260 OEM F, Urban EM 110, ВРМх-350, РБ-700-ЛГ-22, ДРМ-3, SKORPION 120E, RM-165) характерно прерывистое резание древесины через определенные промежутки времени. В эти отрезки времени могут происходить повороты и «подпрыгивание» древесины, что отрицательно сказывается на равномерности щепы. Кроме того, прерывистость резания уменьшает производительность малоножевых машин по сравнению с многоножевыми машинами. Общий вид рубильной машины Urban EM 110 показан на рис. 3. Рисунок 3. Стационарная рубильная машина Urban EM 110 с приводом от электродвигателя Figure 3. Stationary chipper Urban EM 110with electric motor drive Источник: Сайт Rusobalt.ru [11]Source: website Rusobalt.ru [11] Скорость вращения диска у машин разных типоразмеров и фирм составляет 150-720 мин-1. На лицевой стороне диска в специальных пазах установлены режущие ножи. Обычно ножи смещены от радиального положения на угол 10-15° в сторону вращения. Заточка ножей производится на одну или две фаски с углами 33-44° у одной фаски и углом 19-28° у другой.Вдоль кромок режущих ножей, в теле диска, имеются сквозные прорези, служащие для прохода щепы после ее отруба. Противоположная от ножа сторона прореза с лицевой стороны дис­ка защищена съемной планкой. У большинства типов машин на обо­де диска установлены шесть-восемь лопаток, служащих для раз­бивания и удаления щепы [1, 3].При нормальной загрузке и острых ножах малоножевые рубительные машины имеют удельный расход энергии равный 1,9-2,5 кВт ч м-3. Мощность холостого хода этих машин составляет 10-14 кВт. По мере затупления ножей процент мелочи в щепе возрас­тает с 2,5-3 до 6-7,5 % и более. При малой скорости четырехножевой машины (n = 168 мин-1) работа маховых масс почти не используется. Вследствие этого необ­ходимо стремиться к увеличению скорости вращения диска.При повышении скорости вращения свыше 350-400 мин-1 вентиляционные потери энергии от лопастей резко растут. С точки зрения экономии энергии в этом случае выгоднее применять нижний выброс щепы. Применение скорости вращения диска до 600-1000 мин-1 позволит резво сократить вес машины и мощность двигателя. Паузы между резами снижают производительность малоножевых дисковых машин, что невыгодно с точки зрения технико-экономи­ческих показателей. Расход металла на изготовление малоноже­вых машин и занимаемая ими площадь велика по сравнению с многоножевыми. Недостаточное использование кине­тической энергии диска требует завышенной мощности двигателя. Все это явилось причиной замены маловожевых дисковых машин бо­лее совершенными типами машин.Многоножевые рубительные машиныМногоножевые машины (МРН-10, МРН-30, МРГ-40, М1000H, Yulong T-Rex6550A (рис. 4) имеют от 8 до 16 ножей. Число ножей в каждом отдельном случае определяется диаметром стволов, для рубки которых предназначается данная машина. С целью увеличения махового момента у ряда марок машин имеется маховик, который крепят на валу аналогично диску, одновременно маховик является и тормозным шкивом. Рисунок 4. Рубильная машина Yulong T-Rex6550A Figure 4. Yulong T-Rex6550A chipper Источник: Сайт Made-in-China.com [12]Source: website Made-in-China.com [12] Наиболее распространены рубительные машины с углами нак­лона патрона во всех трех плоскостях. Угол наклона патрона относительно горизонтали составляет 45-52°, что обеспечивает самоподачу баланса к диску машины под действием силы тяжести, так как тангенс угла наклона всегда больше коэффициента трения баланса о стенки патрона. Поворот патрона относительно нормали к диску, особенно при прямоугольной или овальной его форме, обеспечивает скатывание балансов малого диаметра по дну патрона в направлении центра вала. Вследствие этого уменьшается радиус, на котором приложено усилие резания, и уменьшается момент сопротивления, что благоприятно сказывается на энергетическом балансе системы. Кроме того, при скатывании баланса малого диаметра к центру вращения диска дольше сохраняются условия непрерывного реза дву­мя ножами [2, 6, 10].Многоножевая машина имеет преимущества с точки зрения более рационального энергетического баланса. Так у четырех­ножевой машины работа маховых колес составляет 2-10% суммарной работы рубки, а у десятиножевой рубительной машины составляет - 59-83%, что позволяет при равной производительнос­ти уменьшить установленную мощность двигателя. Основное преимущество многоножевой рубительной машины по сравнению с малоножевой выявляется при анализе качестве щепы. Непрерывность резания резко повышает производитель­ность машины, что благоприятно сказывается на ее основных технико-экономических показателях: расход металла и занимаемая площадь.Лучшее использование кинетической знергии маховых масс благоприятно сказывается на конструкции привода; мощность двигателя при этом несколько уменьшается. Более высокие скорос­ти вращения диска (по сравнению с малоножевыми машинами) позволяют производить сооную установку двигателя и машины, что умень­шает габарит и вес установки.Наряду с преимуществами, дисковые многоножевые рубительные машины имеют и недостатки. К числу таких недостатков следует отнести несоответствие поверхности рубительно­го диска закону перемещения древесины, затягиваемой ножами. Плоская поверхность диска не обеспечивает необходимого соответствия между скоростью древесины и положенаем конца бревна. В момент резания создается давление, которое изменяет фор­му отруба, так как рез не проходит по естественной винтовой плос­кости. Наличие давления подачи приводит к значительному износу поверхности диска. Другим недостатком многоножевых рубительных машин является форма питающего патрона, имеющего большой угод накло­на к горизонтальной плоскости (45-52°). Этот недостаток объясняется подачей древесины к диску под действием силы тяжести.Геликоидальные рубительные машиныВ основном элементы конструкции у таких машин те же, что и у других типов дисковых многоножевых рубительных машин. Поэтому следует остановиться лишь на тех особенностях, которые отличают эти машины от других многоножевых машин, т.е. на форме заточки ножей и конструкции диска. В геликоидальных рубительных машинах (МРН 10, МРГ-20Н, МРГ-40 (рис. 5)) диск имеет винтовую поверхность между ножами, которая является продолжением задних кромок ножей.При подаче древесины через патрон вначале под действием собственной тяжести, а затем вслед- Рисунок 5. Рубильная машина МРГ-40Figure 5. Chipping machine MRG-40Источник: Сайт PROСТАНКИ [13]Source: website PROSTANKI [13]ствие затягивающего воздействия ножей при непрерывном резании имеет место сложное движение ножа относительно древесины. При этом кромка ножа вращается в плоскости, параллельной диску, а бревно перемещается к диску при различных углах затягивания.В машинах с плоским ножевым диском в момент резания усилие, возникающее между щепой и ножом, уравновешивается реакцией диска на соприкасающуюся с ней поверхностью бревна. В таких машинах при работе создаются огромные удельные давления. Это влечет за собой снижению качества щепы, вследствие смя­тия торцевой поверхности, а также - к созданию условия для продольного смещения древе­сины вследствие деформации, контактирующей с диском поверх­ности бревна. При этом форма отруба изменяется, так как ножи двигаются не по винтовой линии вследствие ее искаже­ния за счет дополнительного продвижения бревна.Геликоидальные рубительные машины таких недостатков лишены. Для получения качественной щепы с равномерной длиной частиц и чистым отрубом большую роль играют величины зазоров между режущими ножами и контрножами, правильная заточка и установка ножей, а также их острота [4, 5].Принциальная схема резания древесины в данном типе дисковой рубительной машины предполагает сопряжение заточных фасок режущих ножей с геликоидальной поверхностью прижимных секторов диска.  В  связи с этим режущий нож должен иметь временный угол заточки по своей длине, изменяющийся от 34° до 30°. При указанной заточке режущих ножей поверхность среза древесины в процессе отруба соприкасается с геликоидальной по­верхностью заточной фаски ножей и прижимных секторов.При эксплуатации этих машин необходимо тщательно сле­дить за правильностью заточки режущих ножей. Заточка их под од­ним углом по всей длине режущего ножа нарушает заложенный в ма­шине принцип резания и приводит к ухудшению качества щепы и некоторому увеличению расхода энергии. Геликоидальная поверхность диска и соответствующая за­точка ножей создают благоприятные условия для повышения ка­чества щепы. Дисковая многоножевая рубительная машина с геликоидальными ножами имеет те же преимущества и недостатки, что и обычные дисковые многоножевые рубительные машины. Отличие этой машины от обычных дисковых многоножевых машин заключается лишь в конструкции диска и заточке ножей. Следует отметить, что указанные преимущества геликои­дальной поверхности могут быть использованы только для од­ной расчетной длина щепы. При изменении длины щепы эти машины будут работать, как и обычные многоножевые рубительные маши­ны. Во избежание этого необходимо менять геликоидальные сек­тора, что является недостаком данного типа машин. К другим недостаткам следует отнести недостатки конст­рукции машин с геликоидальной поверхностью, заключающиеся в довольно сложной обработке диска. Рубительные машины с горизонтальной подачей древесиныДисковые многоножевые рубительные машины с горизонталъной подачей древесины (МРГ-20Н, МРГ-40, FARMI 260 OEM F) отличаются от ранее рассматриваемых дисковых многоножевых рубительных машин горизонтальным расположением питающего патрона, несколько уменьшенным числом ножей и большей скоростью вращения диска. Упрощенная конструкция питающего патрона позволяет уменьшить расход металла и способствует снижению веса всей установки.Угол заточки ножей зависит от породы и чистоты по­даваемой древесины. Если древесина грязная или в песке, сле­дует работать с ножами, заточенными на менее острый угол [7, 8, 14]. Для машин крупных типоразмеров ножи составляют из отдельных частей по длине. Таким образом, при повреждении ре­жущей кромки нет необходимости перетачивать весь нож. Экономия от внедрения таких ножей составляет около 30% их стоимости. Горизонтальная подача древесины исключает возмож­ность динамических нагрузок (ударов) на диск при падении бревен по желобу, имевших место у обычных многоножевых машин с наклонным питающим патроном. Это одно из преимуществ машин этого типа. К отличительным признакам следует от­нести повышение скорости вращения диска, а также уменьшение числа ножей на диске. Недостатком рубительных машин о горизонтальной по­дачей древесного материала является необходимость синхронизировать скорость затягивания бревен ру­бительными ножами со скоростью по­дающего транспортера. В том случае, если скорость подачи древесины транспортером окажется недостаточной, то это отразится на размере щепы по длине. Иными словами, качество щепы при этом ухудшится. Обычно скорость транспортера принимается выше скорости затягивания щепы ножами на 5-20%. При этом бревно, упираясь торцом в диск, начинает буксовать по транспортеру, что приво­дит к износу ленты или цепей. Передвижные рубительные машиныДля измельчения в щепу отходов лесозаготовок в последнее время очень часто применяются передвижные рубительные машины (Junkkari HJ 172 (рис. 6), Urban TR 70, М200, ТР-130 Linddana, Gandini 170 TPS, GreenMech Arbtrak 200). Передвижные рубительные машины позволяют измельчать древесные отходы непосредственно возле деревоперерабатывающих станков, выполняя в то же время уборку цеха. Рисунок 6. Junkkari HJ 172 Измельчитель древесины от трактора с гидравлической подачейFigure 6. Junkkari HJ 172 Tractor powered woodchipper with hydraulic feedИсточник: Сайт Rusobalt.ru [11]Source: website Rusobalt.ru [11] При окоренных отходах лесопиления и деревопереработки щепа, получаемая на дисковых передвижных машинах, имеет хорошие качественные показатели. Эта щепа лишь немного уступает щепе, приготовленной на стационарных рубительных машинах, и может быть применена в целлюлозно-бумажном производстве при изготовлении древесноволокнистых плит. Она также может быть использована на топливо [7, 9].На предприятиях такие машины используют как утилизаторы по переработке накопленных на территории куч древесины или древесных отходов. Передвижные рубительные машины имеют малое число режущих ножей и в большинстве своем небольшой вес. Для их привода требуется двигатель небольшой мощности. Они обеспечивают сравнительно высокую производительность. Эти рубительные машины нашли применения во всем мире. В России применяются передвижные рубительные машины дискового и барабанного типов. Следует отметить, что в целлюлозно-бумажном производстве могут найти применение лишь дисковые передвижные рубительные машины. В лесной промышленности могут быть использованы также и барабанные машины. Использование для привода этих машин тракторных и ди­зельных двигателей позволяет при отсутствии силовой электро­сети измельчать древесину в лесных условиях.Спиральные рубительные машиныНожи в таких машинах расположены на двух конических дисках по спирали. Процесс резание древесины осуществляется в продольно-поперечном направлении, каковое в чистом виде осуществляется в барабанных рубительных машинах с цепной подачей балансов. Данные машины могут также измельчать горбыли и рейки.Спиральные рубительные машины целесообразно применять на лесопильных заводах, так как там перерабатываются наиболее прямолинейные бревна, на измельчение которых и рассчитаны эти машины. При рубке искривленных бревен расчетные режимы работы будут нарушены, бревно будет поворачиваться (без принудительной по­дачи) и качество щепы снизится. Далее следует отметить, что допускаемое лишь поштучное измельчение бревен, в том числе и тонких, может привести к снижению производительности этих машин.ВыводыПромышленные малоножевые рубительные машины вследствие прерывистого резания древесины не нашли широкого применения Многоножевые рубительные машины с геликоидальной поверхностью ножей и диска показали наилучшие результаты при измельчении древесины различных пород по удельному расходу энергии, фракционному составу щепы и производительности.Отходы лесопиления и переработки целесообразно измельчать на многоножевых геликоидальных рубительных машинах. При необходимости измельчения длинных реек  и горбылей целе­сообразно пристроить к этой машине приспособление для горизон­тальной подачи реек и механизм прижима.Для работы на вырубках и деревообрабатывающей промышленности следует рекомендо­вать малогабаратные передвижные рубительные машины.В конструкциях многоножевых рубительных машин намечает­ся тенденция к снижению числа режущих ножей с одновременным увеличением скорости вращения ножевого диска.С увеличением скорости резания улучшается чистота среза, а также увеличивается скорость подачи древесины в питающем патроне, что способствует получению более качественной тех­нологической щепы. Даже при отсутствии непрерывности резания увеличение скорости подачи древесины способствует более пра­вильному ориентированию бревна при движении его в патроне.