Технологические параметры процесса рубки

К основным параметрам, характеризующим процесс из­мельчения древесины, относятся:

- размер (длина и толщина) щепы;

- производительность рубительной машины;

- полезная мощность и расход энергии.

Длина щепы регулируется величиной выступа ножей h над поверхностью ножевого диска. Так как бревно подводится к диску не под прямым углом, отрубаемая шайба имеет форму эллипса (рисунок 1.7) с осями 2а и 2b:

2a = d/сosa₁; 2b = d/cosa₂, (1.12)

где d - диаметр бревна; a₁- угол наклона оси патрона к горизон­тальной плоскости; a₂ - угол между проекцией оси патрона и оси вала на горизонтальную плоскость.

Длина щепы L определяется по формуле

L = h / (cos a₁·cos a₂). (1.13)

Это выражение позволяет вычислить величину выпуска но­жей для получения щепы заданной длины.

Толщина щепы зависит от свойств древесины:

x = (K_ск + f₁K_р) L/K_сж, (1.14)

где х - толщина щепы, мм; L - длина щепы, мм; f₁ — коэффициент трения между слоями древесины в момент скалывания (f₁ = 0,6...0,7); K_ск - предел прочности древесины на скалывание вдоль волокон, МПа; K_р - предел прочности древесины на разрыв в на­правлении, перпендикулярном волокнам, МПа; K_сж - предел прочности древесины на сжатие вдоль волокон, МПа.

Рисунок 1.7 - Геометрические пара­метры резания: h - выпуск ножа; α -суммарный угол наклона и поворота патрона; β -угол заточки ножа; ε -угол встречи; γ - угол затягивания; δ - угол резания; d - диаметр бревна; 2а - большая ось эллипсоида резания; 2b - малая ось эллипсоида резания

Пределы прочности различных пород древесины в воздуш­но-сухом состоянии приведены ниже. Чаще всего толщина щепы составляет 15...20 % от ее длины. Наиболее толстая щепа полу­чается, при равных условиях рубки, из сосны и березы.

Пределы прочности (в МПа):

K_ск K_р K_сж

Ель 4,9...5,5 4,5 39

Сосна 5,3...6,8 5,0 28

Пихта 3,6...5,2 5,0 25

Лиственница 4,8 7,0 30

Береза 7,0... 9,2 10,8 46

Осина 5,7 6,9 37

Теоретическая производительность рубительной машины Q_теор может быть определена произведением объема ка­ждой отрубаемой шайбы V_шна число отрубов в единицу времени N_отр:

Q_теор = V_ш N_отр. (1.15)

Поверхность отруба представляет собой эллипс (рисунок 1.7) площадью F:

F = πd²/4cos a₁cos a₂;(1.16)

умножив площадь на толщину шайбы h,получим ее объем

V_ш = πd²h/4cos a₁cos a₂,(1.17)

или, с учетом выражения (1.13)

V_ш = πd²L/4. (1.18)

Число отрубов в единицу времени находится перемножени­ем частоты вращения диска п и числа ножей на диске z:

N_отр= nz. (1.19)

Подставив выражения (1.18) и (1.19) в (1.15), окончательно получим

Q_теор = πd²Lnz /4. (1.20)

Здесь d - наибольший диаметр бревен, на который рассчи­тана машина. Фактическая производительность машины ниже теоретической. При ее определении нужно заменить d на средний диаметр перерабатываемых бревен d_ср,а также учесть неполноту использования рабочего времени и возможные отклонения ре­альной длины щепы от расчетной. В результате фактическая про­изводительность может составлять 70 % и выше, снижаясь при неблагоприятных обстоятельствах (например, при рубке корот­ких тонкомерных балансов) до 20 %.

Полезная мощность резания зависит от удельного усилия резания р и тех же величин, что входят в выражение (1.20):

N₀ = 1000 πd²рnz /60· 102· 4cos a₁cos a₂, (1.21)

где N₀ - полезная мощность, кВт; р - удельное усилие резания, Н/мм; d - максимальный диаметр бревна, м; п - частота вра­щения диска, мин'¹; z - число ножей на диске.

Из выражений (1.20) и (1.21) видно, что как полезная мощ­ность резания, так и производительность пропорциональны квад­рату диаметра бревна, поэтому удельный расход энергии на резание не зависит от диаметра бревен:

E_р = N₀/ Q_теор - 0,276 p/h,(1.22)

где E_р - полезный удельный расход энергии, кВт· ч/м³; h - выпуск ножей, мм; р - усилие резания, Н/мм.

Полный удельный расход энергии складывается из полезно­го расхода, расхода за счет холостого хода, работы без нагрузки и других статей. Некоторые практические данные при рубке раз­личных древесных пород с влажностью 30...50 % приведены ни­же.

К числу основных факторов, оказывающих влияние на пара­метры процесса, относятся:

- порода, влажность и температура древесины;

- величина выпуска ножа;

- угол заточки ножа;

- скорость резания.

Влияние породы древесины на удельный расход энергии показано выше. Твердые породы требуют большего расхода энергии. При этом толщина щепы, получаемой из березы и лист­венницы, такая же, как из других пород, а количество мелкой и опилочной фракций несколько большее.

Повышение влажности щепы до 30 % благоприятно влияет на процесс: снижается расход энергии, улучшается фрак­ционный состав щепы и качество среза. При дальнейшем увели­чении влажности до 50 % эти показатели также улучшаются, но в меньшей степени.

При рубке мерзлой древесины образуется значительно больше мелочи и отщепов. Это особенно сильно проявляется при переработке лиственницы, щепа из которой в мерзлом состоянии отличается повышенной хрупкостью: при ударе о заднюю стенку кожуха рубительной машины и при движении в щепопроводе к циклону мерзлая щепа подвергается заметному дополнительному измельчению. Для рубки лиственничной древесины специально сконструирована рубительная машина МРНС-150 с нижним вы­бросом. Задняя стенка кожуха в ней более удалена от диска, на­клонена на 10° к вертикали и снабжена специальными гасителя­ми удара щепы.

С увеличением выпуска ножа растет длина и толщина щепы, уменьшается количество мелких фракций и степень поврежденности волокон, снижается удельный расход энергии. Важную роль играет также величина зазора между лезвием ножа и контрножом - она не должна быть более 1 мм, оптимальное значение 0,5...0,8 мм.

Уменьшение угла заточки ножа β (см. рисунок 1.7) в пределах 20...50° благоприятно влияет на процесс резания. Огра­ничивающим фактором является твердость материала ножей, так как при малых углах заточки лезвие в большей степени подвер­жено деформациям и выкрашиванию.

Скорость резания в дисковых машинах можно вычис­лить по выражению

w_p = 2πR_pn/60, (1.23)

где w_p - скорость резания, м/с; R_p - расстояние от оси диска до оси направляющего патрона, называемое радиусом резания, м; п - частота вращения диска, мин^-1.

С увеличением скорости резания улучшается качество среза и сокращается количество мелочи. На удельный расход энергии этот фактор влияния не оказывает. В многоножевых рубительных машинах скорость резания составляет 20.. .25 м/с и более.