V nastoyaschee vremya na territorii lesoseki lesozagotoviteli ostavlyayut ot 20 do 30% othodov, k koto-rym otnositsya nizkotovarnaya drevesina v vide vershin, such'ev, vetvey, pney, nadlomlennyh derev'ev. Dal'-neyshee ispol'zovanie takogo roda drevesiny idet na szhiganie i zahoronenie na territorii lesoseki pri bol'shih zatratah mashinnogo i trudovogo vremeni. Na nash vzglyad, othody lesozagotovok yavlyaetsya cennoy syr'evoy bazoy dlya lesozagotovitel'nyh i derevopererabatyvayuschih proizvodstv i ih mozhno i nuzhno is-pol'zovat' dlya dal'neyshey pererabotki v drevesnovoloknistyy polufabrikat. Suschestvuyuschie tehnologii i oborudovanie po pererabotke porubochnyh ostatkom ne pozvolyayut v polnoy mere poluchat' gotovuyu produkciyu v vide drevesnogo volokna. V rezul'tate pererabotki lesosechnyh othodov po sovremennym tehnologiyam mozhno poluchit' gotovuyu produkciyu iz drovyanyh drov i toplivnoy schepy. Razrabotannye nami tehnologiya i oborudovanie pozvolyat poluchat' drevesnovoloknistyy polufabrikat iz lesosechnyh othodov na territorii lesoseki. Takoe drevesnoe volokno mozhet ispol'zovat'sya kak dopolnitel'noe syr'e v proizvodstve drevesnovoloknistyh plit razlichnoy plotnosti, kotorye mogut nayti primenenie v domostroenii, mebelestroenii i t.p. Predlozhena konstrukciya rotorno-nozhevoy mel'nicy, pozvolyayuschey poluchat' drevesnoe volokno iz othodov lesozagotovok. Predlagaemaya rotorno-nozhevaya mel'nica soglasuyutsya s razlichnymi suschestvuyuschimi v lesopromyshlennom komplekse tehnologiyami zagotovki drevesiny. Takim obrazom, ispol'zovanie mel'nicy pozvolyaet vovlekat' v proizvodstvo volokna v kachestve syr'ya porubochnye ostatki. Bolee polnoe ispol'zovanie lesnyh resursov dast otechestvennomu lesnomu kompleksu ne tol'ko dopolnitel'nuyu dohodnost', no i uluchshit sanitarnoe sostoyanie, obespechit snizhenie pozharnoy opasnosti na vyrublennyh lesnyh ploschadyah.
razmol, drevesnovoloknistyy polufabrikat, rotorno-nozhevaya mel'nica, lesosechnye othody, kompleksnoe ispol'zovanie drevesiny, gidrodinamicheskaya sreda, aerodinamicheskaya sreda
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. -289r.
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. Bezrukih Yu.A. Medvedev S.O., Alashkevich Yu.D., Mohirev A.P. Racional'noe prirodopol'zovanie v usloviyah ustoychivogo razvitiya ekonomiki promyshlennyh predpriyatiy lesnogo kompleksa // Ekonomika i predprinimatel'stvo, 2014. -№ 12-2. - S. 994-996.
4. Zyryanov M.A., Mohirev A.P., Syromyatnikov S.V.. Proektirovanie i modelirovanie oborudovaniya dlya povysheniya effektivnosti ispol'zovaniya porubochnyh ostatkov // Remont. Vosstanovlenie. Modernizaciya. 2017. № 3 . S. 31-33.
5. Matygulina V.N., Rubinskaya A.V., Chistova N.G., Alashkevich Yu.D. Vybor optimal'nyh rezhimov pro-cessa proizvodstva drevesnovoloknistyh plit sredney plotnosti // Himiya rastitel'nogo syr'ya. 2011. - №4. - S. 315-317.
6. Medvedev, S.O. Sobolev S.V., Stepen' R.A. Vozmozhnosti racional'nogo ispol'zovaniya drevesnyh ot-hodov v Lesosibirskomlesopromyshlennom komplekse. Inzhenernyy vestnik Dona, №2 (2018) ivdon.ru/ru/magazine/archive/n2y2018/4904 © Elektronnyy nauchnyy zhurnal «Inzhenernyy vestnik Dona», 2007-2018 lesopromyshlennom komplekse: monografiya. - Krasnoyarsk: SibGTU, 2010. - 85 s.
7. Morozov I. M. Podgotovka vtorichnogo volokna pri proizvodstve drevesnovoloknistyh plit mokrym sposobom [Tekst]: dis. ... kand. tehn. nauk. - Krasnoyarsk, 2016. - 195 s.
8. Mohirev A.P., Aksenov N.V., Sheverev O.V. O racional'nom prirodopol'zovanii i ekspluatacii re-sursov v Krasnoyarskom krae // Inzhenernyy vestnik Dona, 2014, №4 URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/N4y2014/2569.
9. Pat. 167846 Ros. Federaciya: MPK A01G 23/00. Pricep forvardera / Mohirev A.P., Zyryanov M.A. № 2015152472; zayavl. 07.12.2015; opubl. 10.01.2017, Byul. № 1. 7 s.
10. Pat. 2624738 Ros. Federaciya: MPK A01G 23/02. Sposob sortirovki porubochnyh ostatkov / Mohirev A.P., Zyryanov M.A., Bezrukih Yu.A.. № 2015149090; zayavl. 16.11.2015; opubl. 06.07.2017, Byul. № 19, 8 s.
11. Petrusheva N.A., Chistova N.G., Zaripov Z.Z., Chizhov A.P., Alashkevich Yu.D. Effektivnost' ispol'zo-vaniya vtorichnogo volokna v proizvodstve drevesnovoloknistyh plit // Himiya rastitel'nogo syr'ya. 2009. - №2. - S. 145-148.
12. Chistova N.G.Pererabotka drevesnyh othodov v tehnologicheskom processe polucheniya drevesnovoloknistyh plit [Tekst]: dis. ... dokt. tehn. nauk. - Krasnoyarsk, 2010. - 461 s.
13. Chistova N.G. Proizvodstvo drevesnovoloknistyh plit suhim sposobom // Himiya rastitel'nogo sy-r'ya. 2009. - №2. - S. 141-144.
14. Chistova N.G., Alashkevich Yu.D. Optimizaciya processa razmola v proizvodstve drevesnovoloknistyh plit // Izvestiya vysshih uchebnyh zavedeniy. Lesnoyzhurnal. 2009. - №4. - 129-132.
15. Chistova N.G., Alashkevich Yu.D. Podgotovka drevesnogo volokna v proizvodstve drevesnovoloknistyh plit // Izvestiya vysshih uchebnyh zavedeniy. Lesnoyzhurnal. 2009. - №4. - 123-128.
