Раскалывание короткомерных лесоматериалов

Основной операцией при производстве топливных и технологических дров является раскалывание – деление короткомерных лесоматериалов вдоль волокон в зависимости от диаметра на две, четыре или шесть частей. Оборудование, применяемое для раскалывания лесоматериалов, называется колунами (дровокольными станками) с прямолинейным или круговым движением клина или толкателя. В свою очередь, колуны первой группы делятся на колуны с горизонтальным или вертикальным перемещением клина или толкателя.

В качестве примера для расчетов рассматривается цепной колун с вертикальным клином. Приводя его принципиальную схему, необходимо дать характеристику каждого угла и механизма, возможные варианты их технических решений. Например: «Рассматривается механический колун с вертикальным клином, производящим раскалывание лесоматериалов на две части за один проход. Возможны варианты колунов с клиньями, состоящими из двух или трех ножей, производящих раскалывание лесоматериалов за один проход на четыре и шесть частей». При этом следует отметить положительные стороны и недостатки различных колунов, дать описание принципа работы рассматриваемого колуна.

Для расчета усилий, действующих при раскалывании лесоматериалов, необходимо привести схему усилий на клине (рис. 2.17).

Рис.2.17. Схема усилий на клине, возникающих
при раскалывании лесоматериалов

Максимальное усилие, которое необходимо приложить к клину для раскалывания кряжа,

, (2.89)

где d, L – соответственно диаметр и длина кряжа, м; m – коэффициент трения цепи клина о древесину; a – угол клина, град; k – удельное сопротивление раскалыванию, Н/м² (берется по графику на рис.2.18, а).

Значение сил, действующих перпендикулярно плоскости раскалывания,

. (2.90)

Величина нормального давления на щеки клина N и сила трения F между щеками и древесиной могут быть найдены из выражений

(2.91)

а)

б)

Рис.2.18. Графики: а – K=f(d,L);

б – изменения Р_max от глубины внедрения клина

Среднее усилие на клине определяется по формуле

, (2.92)

где L – длина кряжа, м; – глубина внедрения клина, при которой усилие на клине возрастает до максимального: , м; – глубина внедрения клина, при которой в кряже появляется щель: , м; P₁ - усилие на клине при появлении в кряже щели: , Н.

По известным значениям усилий и размеров строят график изменения усилия на клине в зависимости от глубины внедрения (рис.2.18, б).

Мощность, необходимую для раскалывания находят из выражения

, Вт, (2.93)

где Z₀ – сопротивление сил трения при движении полена или клина (для расчетов принять равным 3¸5% от среднего усилия раскалывания), Н; n – скорость надвигания кряжа на клин, м/c; h – КПД привода: h=0,8¸0,9.

Производительность механических колунов непрерывного действия рассчитывают по формуле

, м³/ч, (2.94)

где j₁ – коэффициент использования рабочего времени: j₁=0,8¸0,9; к₃ – коэффициент загрузки упоров: к₃=0,6¸0,8; V – средний объем кряжа (определяется по известным длине и диаметру), м³; – расстояние между упорами, м; m – количество пропусков кряжа через колун.

Количество пропусков кряжа через колун зависит от числа частей, на которые раскалывают кряж (при диаметре до 25 см раскалывают на 2 части, при диаметре 26¸40 см – на 4 части, свыше 40 см – на 6 частей).

Задания для выполнения практической работы

1) Составить принципиальную схему механического колуна с указанием его основных узлов и описанием работы.

2) Определить усилия, возникающие при раскалывании лесоматериалов.

3) Рассчитать мощность привода механического колуна и его производительность.

2.9 Расчет пневмотранспортных установок

 

Расчет пневмотранспортной установки
всасывающего типа для транспортировки стружки

 

1. Необходимый расход воздуха м³/ч на участке 1-II (рис.2.19) определяется по формуле:

, (2.95)

где производительность цеха производства стружки, м³/ч; весовая концентрация смеси; объемный вес воздуха.

Скорость воздуха на горизонтальных участках в м/c определяется по формуле:

, (2.96)

где коэффициент, зависящий от устройств, снижающих скорость воздуха (для транспортных установок 1,05…1,1); относительная транспортирующая скорость воздуха (для стружки 1,17); объемный вес стружки. Н/м³; коэффициент, зависящий от вида транспортируемого материала (для стружки 9).

Рис.2.19. Схема пневмотранспортной установки:

1 - цех производства стружки; 2 - циклон; 3 - цех производства древесностружечных плит; 4 – вентилятор

 

Скорость воздуха на вертикальных участках должна быть несколько больше и определяется по формуле:

, (2.97)

где скорость витания частиц, м/c, т.е. Скорость воздушного потока в вертикальном трубопроводе, при которой частицы будут находиться в этом потоке во взвешенном состоянии.

, (2.98)

где толщина частиц, м; коэффициент, зависящий от формы поперечного сечения частиц ( 0,9…1,1).

Диаметр труб на вертикальных участках определяется по формуле:

, (2.99)

и округляется до двух значащих цифр после нуля.

Для горизонтальных участков диаметр труб определяется по этой же формуле и . Вследствие малой протяженности горизонтальных труб, их диаметр можно принять равным диаметру вертикальных труб.

По расходу воздуха на участке 1-II подбирается циклон. Скорость воздуха на входе в циклон в м/c определяется по формуле:

, (2.100)

где , соответственно высота и ширина входного патрубка, м.

2. Далее определяются потери давления в Па на участке 1-II, которые состоят из потерь на входе воздуха в приемник, потерь на прямолинейных участках, потерь в коленях, потерь на подъем материала вверх и потерь давления в циклоне, то есть

(2.101)

где местное сопротивление на входе в приемник ( 1,2); опытный коэффициент (); общая протяженность участка 1-II, м; число горизонтально-вертикальных переходов; коэффициент сопротивления горизонтально-вертикального колена; число вертикально-горизонтальных переходов; коэффициент сопротивления вертикально-горизонтального колена; k^/ опытный коэффициент; протяженность вертикальных труб на участке 1-II, м; относительная скорость воздуха в вертикальных трубах ( 1,66); коэффициент сопротивления циклона ( 2,5).

Далее рассчитывается участок II-III, по которому движется чистый воздух. Расход его, с учетом подсоса воздуха через циклон и неплотности трубопроводов, будет на 10 % больше, чем расход воздуха на участке 1-II. Скорость воздуха на участке II-III следует принять на 10…20 % меньше скорости воздуха на участке 1-II и определить диаметр трубопровода. Полученное значение диаметра округляется до двух целых цифр после нуля и находится уточненное значение скорости воздуха на участке II-III.

Потери давления в Па на участке II-III складываются из потерь на прямолинейных участках, потерь в коленах и потерь на выходе, то есть

(2.102)

где число колен на участке; коэффициент сопротивления одного выхода ( 1,2); коэффициент сопротивления выхода ( 0,64).

Суммарные потери давления выхода по всей установке определяются по формуле:

. (2.103)

Расчетный напор вентилятора определяется по формуле:

. (2.104)

Мощность электродвигателя в Вт для привода вентилятора определяется по формуле:

, (2.105)

где КПД вентилятора ( 0,6…0,65); КПД привода ( 0,85…0,95).

Задания для выполнения практической работы.

1) Определить расход воздуха на отдельных участках установки, рассчитать диаметры трубопроводов, выбрать циклон.

2) Определить потери давления в отдельных элементах установки и расчетный напор вентилятора, рассчитать мощность электродвигателя для привода вентилятора

Расчет пневмотранспортной установки
нагнетательного типа

В настоящее время на лесопромышленных предприятиях широко используется низкокачественная древесина, которая большей частью перерабатывается в щепу. Для транспортировки щепы целесообразнее использовать нагнетательные пневмотранспортные установки. Их схема представлена на рис. 2.20.

Рис. 2.20. Схема нагнетательной пневмотранспортной установки:

1 – фильтр; 2 – всасывающий патрубок; 3 – отвод; 4 – задвижка;

5 – воздуходувная машина; 6 – питатель; 7 – нагнетательный трубопровод; 8 – циклон; 9 – бункер

 

Ниже представлены методика и пример расчета пневмотранспортной установки при следующих исходных данных: порода древесины – сосна; П = 40 м³/ч; = 3 м; = 4 м; = 15 м; = 8 м; = 32 м; = 30°; = = 60°; задвижка открыта наполовину; z = 3; подача питания поперечная. Для заданной производительности установки находим весовой расход , Н/с, транспортируемой измельченной древесины:

70,8 Н/с, (2.106)

где – коэффициент неравномерности подачи материала в пневмотранспортную систему ( = 1,15…1,5); П – часовая производительность установки в плотных м³; – удельный вес древесины, Н/м³.

Для обеспечения весового расхода щепы необходим объемный расход воздуха

2,0 м³/с, (2.107)

где – удельный вес атмосферного воздуха ( = 11,8 н/м³); – весовая концентрация аэросмеси. В средненапорных установках на базе турбовоздуходувок = 3…7.

Транспортирующая скорость воздуха в нагнетательном трубопроводе определяется по эмпирической формуле

33 м/с, (2.108)

где – отношение скорости воздуха к скорости материала (для щепы = 1,33); b – коэффициент, зависящий от формы и размеров транспортируемого материала (для щепы b = 12). Удельный вес воздуха в начале нагнетательного трубопровода

, (2.109)

11,82 Н/м³,

где g – ускорение свободного падения, м/с²; r – газовая постоянная, дж/кг×к (r = 29,27 кГм/кГ×к = 287,1 Дж/Кг×К); , – атмосферное и избыточное давление воздуха в трубопроводе, Па или Н/м². Для стандартных условий при абсолютной температуре = 293 к, = 760 мм рт.ст = 101367 Н/м². Для средненапорных установок можно принять = 1,96 Па.

Диаметр нагнетательного трубопровода

, (2.110)

0,278 м.

В приложении 6 (табл.П.6.13, ГОСТ 8732-58) находим подходящую трубу с наружным диаметром 299 мм, толщиной стенок 8 мм и = 283 мм = 0,283 м. При этом диаметре уточняем скорость воздуха в горизонтальном нагнетательном трубопроводе:

, (2.111)

31,8 м/с.

Далее определим потери давления во всасывающем и нагнетательном участках пневмотранспортной установки. Для их нахождения необходимо знать коэффициент сопротивления трубопроводов , который определяется по формуле А.Д.Альтшуля

, (2.112)

где D – абсолютная шероховатость трубопровода. Для сварных труб D = 0,04…0,1 мм = (0,4…1)×10^-4 м; Д – диаметр всасывающего () или нагнетательного () трубопровода, м ( = 1,5…2; = 1,6×0,283 = 0,45 м); – критерий (число) Рейнольдса, характеризующий, в каком режиме (турбулентном или ламинарном) работает пневмотранспортная установка.

В установках для пневмотранспорта измельченной древесины поток воздуха характеризуется турбулентностью течения, т.е.

, (2.113)

где – коэффициент кинематической вязкости воздуха – отношение абсолютной вязкости ( = 17,95×10^-6 Н×с/м²) к плотности (, кг/м³). Для стандартного воздуха = 14,9×10^-6 м²/с; – скорость движения воздуха, м/с.

Для нагнетательной установки во всасывающем трубопроводе скорость вычислим по формуле (2.111) и при = 0,45 м.

12,6 м/с.

Подставляя значения , , , в формулу (2.113), определим число Рейнольдса для нагнетательного ( = 603986) и всасывающего ( = 380537) участков. Зная величины , , , и принимая = 0,8×10^-4 м, по формуле (2.112) находим коэффициенты сопротивления всасывающего ( = 0,0151) и нагнетательного ( = 0,0155) трубопроводов.

Потери давления на всасывающем участке

, (2.114)

где – длина всасывающего патрубка, м; – коэффициент сопротивления воздушного фильтра (для низконапорных и средненапорных установок фильтры не применяются, т.е. = 0); – коэффициент, зависящий от величины открытия задвижки (при полном открытии = 0,15, при открытии наполовину = 5,2, на четверть = 30); – коэффициент сопротивления отвода (отводы служат для изменения направления транспортировки) трубопровода.

, (2.115)

0,044,

где – угол поворота отвода, град; r – радиус закругления отвода, м; м; Z – отношение среднего радиуса кривизны к диаметру проходного отверстия. Обычно . При = 1,5 м z = 3.

Подставляя значения параметров в формулу (2.114), находим потери давления

510,32 Н/м².

В нагнетательном трубопроводе потери давления складываются из потерь на разгон материала , в загрузочном устройстве , на движение материала по трубопроводам , на движение материала на подъем , в отводах трубопровода , на выходе и определяется из выражения

. (2.116)

Потери давления на разгон материала

, (2.117)

2437 Н/м²,

где – скорость движения материала, м/с ( = 0,6…0,8; = 0,7×31,8 = 22,3 м/с).

Потери давления в загрузочном устройстве

, (2.118)

304,6 Н/м²,

где – коэффициент сопротивления загрузочного устройства. Для шлюзового питателя барабанного типа с поперечной подачей = 0,45…0,7, с продольной подачей = 0,8.

Для средненапорных установок потери давления при транспортировке по трубопроводам

, (2.119)

5720,2 Н/м²,

где – длина нагнетательного трубопровода, м (); К – опытный коэффициент, зависящий от типа транспортируемого материала и диаметра трубопровода. Для щепы при < 0,3 м к = 0,6; при = 0,3 м к = 0,7; при > 0,3 м к = 0,8; – средний удельный вес воздуха в трубопроводе, Н/м²: = 11,81 Н/м²,

где – удельный вес воздуха в конце нагнетательного трубопровода; – средняя скорость течения воздушного потока, м/с: 31,77 м/с.

Потери давления при движении материала на подъем рассчитываются при углах подъема a > p/3 по формуле

, (2.120)

572,3 Н/м²,

где – длина трубопровода на подъем, м ( = ); a – угол подъема наклонного трубопровода, град. (a = ); – скорость воздуха в вертикальных и наклонных трубопроводах, м/с ( = (1,3…1,5), = 1,4×31,8 = 44,5 м/с).

Одинаковая скорость движения материала в горизонтальных и вертикальных трубопроводах достигается путем увеличения скорости воздуха в вертикальных трубопроводах за счет уменьшения их диаметра = 0,215 м.

Потери давления в отводах

, (2.130)

637,7 Н/м²,

где – опытный коэффициент, показывающий увеличение концентрации смеси в отводах (для щепы = 1,8); , – коэффициенты сопротивления второго и третьего отводов. Они определяются по формуле (2.115). При , = 0,287 м и 1 м 0,082.

Потери давления на выходе из трубопровода

, (2.131)

803,3 Н/м²,

где – коэффициент сопротивления выходного участка. При подаче в циклон = 2,5…5, в кучу = 1; – скорость воздуха во входном патрубке циклона, м/с.

Для рассчитанной производительности по воздуху q = 2 м³/с из приложения 6 выбираем циклон №7 с размерами входного патрубка a = 0,25 м, b = 0,38 м и определяем скорость 21,1 м/с. Суммарное давление во всасывающем и нагнетательном участках трубопровода

10985,4 Н/м².

Потребная мощность электродвигателя воздуходувной машины

44755 вт = 44,8 кВт,

где z – коэффициент запаса (z = 1,1…1,2); – кпд воздуходувной машины ( = 0,5…0,75); – КПД привода (при соединении через муфту = 1, при клиноременной передаче = 0,9).

По значениям q и n из приложения 6 (табл.П.6.15) выбираем воздуходувную машину ТБ-150-1,12 с q = 2,3 м³/с, n = 2950 об./мин. и N = 45 кВт с электродвигателем А-83-2, у которого n = 2950 об./мин. и N = 55 кВт.

Задания для выполнения практической работы

1. Изучить типы пневмотранспортных установок, конструкцию их узлов и деталей.

2. Рассчитать диаметр всасывающего и нагнетательного трубопроводов.

3. Определить потери давления во всасывающем и нагнетательном трубопроводах.

4. Рассчитать мощность и подобрать тип воздуходувной машины.

 

 

2.10. Определение объемов работ, количества отходов,
выхода готовой продукции

 

В соответствии с заданными исходными данными необходимо определить объем готовой продукции, выпускаемой на предприятии, количество отходов при выполнении отдельных операций технологического процесса.

Пример выбора исходных данных:

Зачетная книжка имеет номер 960827. Задание в этом случае будет иметь следующие исходные данные:

1. Тип склада - береговой.

2. Вид вывозимого леса - хлысты.

3. Грузооборот склада по прибытии – 160 тыс. м³ в год.

4. Породный состав – 3Е3С2Б2Ос.

5. Средний объем хлыста - 0,3 м³.

6. Средняя длина хлыста – 18 м.

7. Сортиментный план (табл. 2.3)

8. С нижнего склада 80 % пиловочных бревен отгружается в круглом виде, 20 % перерабатывается на обрезные пиломатериалы. Балансы, шпальные бревна, строительные бревна и лиственные бревна отгружаются без переработки. Низкокачественная древесина перерабатывается на нижнем складе на технологическую щепу, колотые балансы и дрова.

9. Все пиломатериалы, 2 % строительных бревен и 85 % дров оставляются на складе на собственные нужды и для местных потребителей.

Таблица 2.3

Сортиментный план

Наименование	Объем, %	Размеры: длина/диаметр
Пиловочное бревно		6/0,24
Рудничная стойка	-	-
Балансы		5/0,14
Шпальное бревно		2,75/0,32
Строительное бревно		6/0,18
Лиственные бревна		3/0,2
Низкокачественная древесина, перерабатываемая на технологическую щепу		4,5/0,12
Низкокачественная древесина, перерабатываемая на колотые балансы		4/0,22
Низкокачественная древесина, перерабатываемая на тарные комплексы	-	-
Низкокачественная древесина, перерабатываемая на дрова		4/0,14

 

Используя исходные данные, необходимо вычислить годовой объем готовой продукции, наименование и количество отходов производства. При вычислении использовать нормативы по выходу готовой продукции и количеству отходов при переработке лесоматериалов, результаты расчетов следует занести в табл.2.4.

Следует учитывать, что ряд отходов (кора, получающаяся при окорке; обрезки и опилки, остающиеся при раскряжевке хлыстов; сучья, очищаемые с деревьев на нижнем складе) не входит в объем древесины вывезенного сырья, а идет сверх баланса и записывается в графу 9 табл.2.4. Эти отходы не должны вычитаться из общего количества сырья, поступающего в переработку. Другие отходы (горбыли, рейки, стружки, усушка, распыл и т.п.) должны вычитаться из общего количества сырья, поступающего в обработку, т.к. они входят в объем древесины вывезенного леса.

Ряд отходов после соответствующей переработки может являться ценным сырьем в гидролизном производстве, для получения плит и картона, в энергохимических установках. Если предполагается использовать отходы для получения какой-либо продукции, их следует записывать в графы 6, 7. Эти же отходы должны быть, потом занесены в графы 2, 3 как сырье для какой-либо операции, использующей данные отходы при переработке. Не используемые отходы и потери записываются в графу 8. В справочной литературе отходы сверх баланса отмечены звездочкой.

Продукция, оставляемая на собственные нужды и для местных потребителей, а также отпускаемая со склада, записывается соответственно в графы 10 и 11. Следует иметь в виду, что часть лесоматериалов может подвергаться переработке на складе несколько раз (хлысты раскряжевываются на долготье, которое затем поступает в соответствующие цехи). Поэтому часть продукции будет являться в то же время сырьем для дальнейшей переработки. Ее величина по каждому виду продукции определяется вычитанием из объема продукции (графа 5) суммы объемов

Продукции (графы 10 и 11) и записывается в графу 3 для соответствующей операции по переработке леса.

Правильность заполнения табл.2.4 проверяют следующим образом. Суммируют данные граф 5, 8, 10 и 11, т.е. Определяют годовые объемы готовой продукции; неиспользуемых отходов и потерь; продукции, оставляемой на собственные нужды, для местных потребителей и отгружаемой со склада.

Годовой объем продукции (сумма данных графы 5) должен быть равен сумме годовых объемов продукции, оставляемой на собственные нужды (сумма данных графы 10) и отгружаемой (сумма данных графы 11). Годовой объем продукции в сумме с неиспользуемыми отходами и потерями (сумма данных графы 8) должен быть равен объему древесины, доставляемой на нижний склад, т.е. грузообороту склада по сырью.

 

Таблица 2.4

Объемы работ, выход готовой продукции и отходов на нижнем складе, в год

Вид первичной обработки или переработки леса	Сырье	Готовая продукция	Используемые отходы	Неиспользуемые отходы и потери	Отходы сверхбаланса (наименование)	Объем продукции, оставляемой на собственные нужды и для местных потребителей, т. м^3 в год	Объем отгружаемой продукции
наименование	объем	наименование	объем	наименование	объем

 

2.11. Технологическая схема
нижнего лесопромышленного склада

 

Разработка технологической схемы является одной из заключительных стадий проектирования нижних лесопромышленных складов. Этому предшествуют разработка режима работы лесного склада и структурной схемы его технологического процесса, выбор типа и расчет необходимого оборудования основного производственного потока, разработка технологических схем отдельных цехов и участков, решение вопросов размещения запасов всех видов лесоматериалов на складе, обоснование взаимного расположения отдельных элементов лесопромышленного склада с учетом требований охраны труда, пожарной безопасности, экологии и т.п.

Для выработки практических навыков по разработке технологических схем лесопромышленных складов перед курсовым и дипломным проектированием рекомендуется выполнение данного задания по отвлеченным исходным данным. Задание состоит из двух частей, которые сходны между собой по характеру выполнения, но учитывают некоторые особенности, обусловленные различным типом лесопромышленных складов.

 

Технологическая схема прирельсового
нижнего лесопромышленного склада

Исходные данные для выполнения задания приведены в приложении 2, значения производительности оборудования выбираются из табл.П.6.9.

Делением годового грузооборота нижнего склада на число рабочих дней в году (250 дней) и на число смен работы в году (коэффициент сменности принять равным двум) находятся суточный и сменный грузообороты нижнего склада. Разделив сменный грузооборот склада на сменную производительность отдельных установок (принять восьмичасовую смену), определяют количество установок, необходимых для выполнения операций технологического процесса нижнего склада. При расчете оборудования, применяемого для отгрузки готовой продукции, число дней работы можно считать равным 365. Зная число установок, можно вычертить технологическую схему нижнего склада, на которой следует указать штабеля сырья и готовой продукции, величина которых определяется с учетом данных, приведенных в разделе 2.1.

После вычерчивания технологической схемы дается краткое описание технологического процесса, начиная с прибытия сырья на склад и завершая отгрузкой готовой продукции. При этом следует указать характерные особенности, присущие конкретной технологической схеме прирельсового нижнего лесопромышленного склада.

Технологическая схема берегового
нижнего лесопромышленного склада

Исходные данные и технологические параметры лесоскладского оборудования выбираются из прил. 2 и табл. П.6.9. Число дней работы склада принимается равным 250, продолжительность периода отгрузки готовой продукции (периода навигации) – по исходным данным, приведенным в разделе 2.1. При этом необходимо использовать код режима работы, заданный в разделе 2.1 и данные второй части табл. П.6.1. Дальнейшая методика расчетов и выполнение задания аналогичны разработке технологической схемы прирельсового нижнего лесопромышленного склада.