Комплексное использование древесины

Раздел: Учебники

Устройство дисковых рубительных машин. При выработке щепы высокого качества наиболее широкое распространение получили дисковые рубительные машины. Рабочим органом машины ( 29) является массивный ножевой диск 5 с радиально расположенными ножами 5, которые закреплены шпильками 7 на лицевой стороне диска. Ножевой диск закрыт кожухом 4, на котором монтируются загрузочный патрон для подачи сырья и патрубок для выброса щепы. В патроне крепятся сменные опорные пластины, которые называются контрножами. В процессе резания древесины контрножи служат опорой для лесоматериала. При вращении диска каждый нож отрубает от него слой древесины, который распадается на щепу. Для отвода щепы в диске вдоль режущей кромки ножей выполнены сквозные подножевые окна, через которые отрубаемая щепа проходит на приводную сторону диска. Под- ножевые окна делаются с расширением в направлении движения срезанной древесины. Далее щепа лопастями 6 выбрасывается из машины через выносной патрубок. Ножевой диск крепится на валу 2, установленном в сферических роликоподшипниках 1. Привод диска осуществляется электродвигателем 10 через муфту S, остановка — ленточным тормозом 9. Все конструктивные элементы машины крепятся на общей раме.

Классификация дисковых рубительных машин осуществляется ( 30) по форме рабочей поверхности диска и его расположению, количеству ножей и способу их крепления, режиму резания и направлению подачи лесоматериала, способу подачи сырья и расположению патрона, направлению выброса щепы-и условиям работы машины.

Рабочая поверхность ножевого диска рубительных машин бывает плоской и геликоидальной ( 30,а). Геликоида льна я (винтовая) поверхность обеспечивает наиболее благоприятные условия резания древесины и получение щепы высокого качества. Ножевой диск может быть расположен в рубительных машинах вертикально, горизонтально или наклонно* ( 30, б). По числу ножей различают мало- и многоножевые машины ( 30, в). У малоножевых машин обычно 3— 4 ножа^_Режущие ножи монтируют внакладку с боковой поверхностью диска либо устанавливают между накладкой и- подкладкой ( 30, г).

По режиму резания различают дисковые рубительные машины с прерывистым и непрерывным резанием ( 30,5). Прерывистый режим резания характерен для малоножевых машин с плоским диском, у которых в контакте с древесиной" всегда находится только один нож, а расстояние между ножами значительно больше диаметра измельчаемых лесоматериалов. При таком режиме наблюдаются чередование подачи древесины с остановкой, толчки и удары в момент внедрения ножа, что заметно ухудшает качество щепы. Непрерывный режим резания обеспечивается большим числом (10—16) режущих ножей, приближенных к центру диска. При этом основным условием непрерывности резания является сочетание минимального расстояния между ножами, которое должно быть меньше диаметра измельчаемых лесоматериалов, с геликоидальной поверхностью диска.

По направлению подачи измельчаемого сырья к ножевому диску различают рубительные машины с наклонным и горизонтальным загрузочным патронами. Патрон может быть наклонен к горизонту на угол ах, иметь в горизонтальной плоскости угол ау ( 30, е). У некоторых машин основание патрона может иметь дополнительный наклон в вертикальной плоскости на угол az. Наклонные загрузочные патроны могут иметь в одной машине все три указанных угла наклона. Часто патрон имеет угол наклона к горизонту ах = 45—52° и разворот в горизонтальной плоскости на угол ау=10—30°. При ау=0 загрузочный патрон имеет только один угол наклона — к горизонту. Рубительные машины с наклонной подачей служат для измельчения в основном короткомерных лесоматериалов длиной до 3 м. Измельчение более длинных лесоматериалов осуществляется в машинах с горизонтальной подачей. Загрузочный патрон для горизонтальной подачи имеет угол ах = 0 и угол ау=38—45°, под которым лесоматериалы специальным лесо- транспортером подаются к ножевому диску. Рубительные машины с горизонтальной подачей имеют ряд преимуществ. Они удобны при организации производства щепы в лесообрабатывающих цехах и не требуют высоких помещений. Ножевой диск при встрече с лесоматериалом не испытывает здесь динамических ударов, как при наклонном патроне.

Подача сырья в рубительных машинах может быть гравитационная— под действием веса лесоматериала, принудительная— вальцами и самоподача, которая осуществляется в машинах с геликоидальным диском ( 30,ж). Принудительная подача используется в машинах, предназначенных для измельчения тонкомера, сучьев и реек. Самоподача в машинах с геликоидальным диском объясняется следующим. В каждом секторе между ножами такой машины располагается накладка с геликоидальной поверхностью. По выступающей кромке накладок крепится нож, лезвие которого копирует геликоидальную поверхность накладки. Таким образом, торцовую поверхность диска можно представить в виде многозаходного винта. При вращении такого диска, если посмотреть со стороны привода, ножи будут непрерывно входить в древесину по винтовой образующей с определенным шагом. Поскольку диск закреплен в подшипниках и лишен осевого перемещения, то при его «ввинчивании» в древесину посредством ножей лесоматериал будет непрерывно двигаться к торцу диска. Затягивание сырья в машинах с геликоидальным диском позволило разработать конструкции с горизонтальной подачей материалов. Усилия затягивания достигают 15 кН.

Загрузочный патрон в рубительных машинах может располагаться на правой или левой стороне кожуха диска, если смотреть со стороны подачи. В машинах с горизонтальной подачей патрон может иметь верхнее или нижнее расположение ( 30 з). По месту расположения патрона машины бывают соответственно в правом и левом исполнении. Это имеет определенные преимущества при проектировании технологических потоков.

В рубительной машине устанавливают, как правило, один загрузочный патрон. Нередко монтируется дополнительный патрон для измельчения более мелкого сырья или крупной фракции щепы ( 30, и). В сечении патроны могут иметь различную форму, что зависит от вида перерабатываемого сырья, на которое рассчитана машина. Для измельчения круглых лесоматериалов и горбыля машины с наклонной подачей часто оснащены патронами с V-образным или ромбическим сечением. Машины с горизонтальной подачей часто имеют патрон в виде однобокой трапеции, а машины с принудительной подачей отходов — патрон прямоугольной формы. Известны и другие формы проходного сечения патронов — овальные, каплевидные, квадратные.

Рубительные машины изготовляются с верхним или нижним выбросом щепы ( 30,/с). В лесозаготовительной промышленности наибольшее распространение получили машины с верхним выбросом. Они позволяют направлять щепу на сортировку без устройства дополнительных транспортеров. Однако верхний выброс щепы 'сопровождается дополнительным измельчением при ударе частиц о лопасти на ободе ножевого диска, о неподвижные элементы кожуха и трубопровода.

По условиям работы рубительные машины могут быть стационарными и передвижными ( 30,к). Последние могут быть прицепными с приводом от вала отбора мощности тягача или самоходными на базе трактора или автомобиля повышенной проходимости ( 30,л).

Особенности процесса резания древесины в дисковых руби- тельных машинах можно пояснить по схемам, изображенным на  31. Здесь так же, как и при всех других видах резания древесины, используют клиновидный резец. Однако в отличие от пиления, строгания, фрезерования и других.видов обработки технологической целью измельчения лесоматериалов является получение древесных частиц заданной формы и размеров.

В рубительной jviarimHe. с плоским диском 3 ( 31, а) ножи 2 с углом заточки р и задним углом выпущены над поверхностью диска на расстояние t. Древесное сырье по наклонному питающему патрону с углом ах поступает под вращающиеся ножи диска. В процессе резания лесоматериал опирается на контрнож У, дромка которого должна находиться на определенном расстоянии At от лезвия ножа.

Лесоматериал в точке а опирается на торцовую поверхность диска и скользит по ней при вращении. Давление в точке а, которое зависит от массы лесоматериала и угла подачи, вызывает смятие древесины, а трение чурака способствует быстрому износу поверхности диска. Трение и износ диска еще более возрастут, если в такой машине осуществлять принудительную подачу сырья. Если верхний нож начнет входить в древесину раньше, чем нижний окончит рез, будет наблюдаться срыв в процессе резания. Верхняя часть лесоматериала станет подаваться к диску в то* время, как нижняя еще опирается на диск и будет препятствовать подаче. Лесоматериал, находящийся в патроне, начнет движение по часовой стрелке до тех пор, пока не отделится элемент щепы. Под действием веса лесоматериал снова займет исходное положение, однако продолжающий движение нож передней гранью вновь станет поднимать его, подтягивая к диску. Неустойчивое положение сырья в процессе резания, вибрации, толчки и отскакивания лесоматериала типичны для машин с плоским диском. Выход качественной щепы заданных размеров и фракционного состава здесь невысок.

Иначе протекает процесс резания в дисковых рубительных машинах с геликоидальной поверхностью, для которых характерна непрерывность процессов резания и попутного затягивания древесины ( 31, б). Задняя грань ножа 2 здесь является продолжением скошенной накладки диска 4. И накладка, и задняя грань ножа имеют одинаковый задний угол yi, поэтому угол встречи лесоматериала с плоскостью диска равен е + уг. При входе ножа в древесину, как и в машине с плоским диском, процесс резания на участке ab сопровождается одновременно затягиванием лесоматериала к диску со скоростью vn вдоль волокон. Однако при проходе точки b чурак в точке а не упирается в плоскость диска, а продолжает скользить по его поверхности. Лезвие ножа производит рез в плоскости, повернутой относительно окружной скорости v0 на угол у*. Поворот плоскости резания вызывает увеличение острого угла среза щепы на величину у^

Скорость подачи древесины к рубительной машине лесотранс- портером не должна быть выше скорости затягивания, иначе лесоматериал будет отброшен от диска. Лезвия режущих ножей будут срезать элементы щепы 6 различной длины под неопределенным углом. Срыв процесса резания из-за большей, чем необходимо, скорости подачи может иногда наблюдаться в машинах с наклонным патроном. Здесь скорость движения лесоматериала не контролируется и может превысить скорость затягивания.

Большое влияние на процесс затягивания лесоматериала в рубительной машине оказывает задний угол уь который называют еще углом затягивания [5]. Величина этого угла должна быть подобрана такой, чтобы обеспечить постоянство скорости затягивания vn. Только при постоянном значении vn можно обеспечить равномерный процесс резания и получение ровной щепы.

Нормальные напряжения стн вызывают сжатие и смятие древесины поперек волокон. Если бы древесина была идеально упругим телом, щепа имела бы в сечении правильную форму параллелограмма abed. В реальной щепе верхняя сторона параллелограмма всегда короче и равна a'd, так как древесина на торцовом срезе смята по плоскости а Ь. Смятие торцового среза щепы объяснялось обычно осевым сжатием древесины передней гранью клина [37]. Но прочность древесины на сжатие вдоль волокон примерно в 5 раз превышает прочность на скалывание [47], поэтому напряжения, вызывающие скалыва- «ие щепы, не могут вызвать какого-либо смятия древесины при <ее осевом сжатии. Наблюдаемое на торцовом срезе щепы смятие древесины вызывается иными причинами. Под воздействием •силы Рр происходит не только перерезание волокон древесины, но и ее сжатие лезвием ножа поперек волокон. Усилие, необходимое для перерезания волокон, в несколько раз превышает усилие, при котором происходит смятие древесины при сжатии поперек волокон. Поэтому составляющая ан вызывает смятие древесины раньше, чем происходит перерезание волокон. В этом случае передняя грань ножа подвергает сжатию уже смятые волокна древесины. При перемещении ножа смятые волокна дополнительно подвергаются изгибу из-за трения передней грани о поверхность древесины. Сжатие и изгиб смятых волокон вызывают образование на торцовом срезе видимых дефектов— ворсистости или трещин глубиной 1—2 мм, если нож недостаточно острый.

С увеличением скорости резания сила Рр будет возрастать, что вызовет одновременно и рост составляющей ат. Поэтому отделение частиц станет происходить при более коротком перемещении ножа в древесине, т. е. толщина щепы будет уменьшаться пропорционально возросшей скорости резания. Экспериментально доказано, что любое увеличение скорости резания приводит к увеличению в щепе относительного количества спичек, мелкой фракции и опилок. Поэтому не рекомендуется работать при скоростях резания более 20—25 м/с, хотя это и снижает производительность машин. Увеличение скорости резания еще более ухудшает качество щепы при резании мерзлой древесины. Было установлено [6], что при резании мерзлых балансов со скоростью ур = 9,7 м/с мелкая фракция в щепе составляет 8,9 %, опилки 3,8 %. С увеличением скорости резания до 36,4 м/с доля мелкой фракции возрастает до 24 %, а опилок до 16,6 %. Для объяснения этого факта снова обратимся к свойствам древесины. При понижении температуры прочность влажной древесины заметно возрастает благодаря образованию льда. Так по данным В. Н. Курицына, при —30 °С прочность на сжатие вдоль волокон древесины влажностью 70 % увеличивается в 2,43 раза, на скалывание в 2,16, на сжатие поперек волокон в 3,5 раза. При резании мерзлой древесины напряжения сжатия в точке Ъ ( 32) значительно возрастут из-за увеличения упругости. Одновременно возрастает и составляющая сгх, которая вызовет отделение щепы при значительно меньшей толщине элемента. Тонкая щепа из мерзлой древесины разбивается о выступающие поверхности в рубительной машине и дополнительно распадается на узкие частицы — спички.

Отметим также, что смятие волокон у мерзлой древесины должно происходить меньше, благодаря значительному возрастанию прочности на сжатие поперек волокон.

Существует два пути улучшения качества щепы при резании мерзлой древесины. Один путь — снизить скорость резания уменьшением частоты вращения ножевого диска, другой—изменить угол К ( 32, а). Этот угол, который является дополнением до 90° суммы углов встречи г, угла затягивания yi и угла заточки (Зь контролирует толщину щепы. Установлено также, что с увеличением угла К уменьшается количество как спичек, так и мелкой нестандартной фракции щепы. На практике различные значения угла X могут быть получены изменением угла заточки р*. Следует помнить, однако, что любые изменения угла заточки ножей в машинах с геликоидальным диском могут нарушать кинематику процесса резания. Поэтому при изменении угла заточки на некоторый угол if) между накладкой диска и ножом следует устанавливать компенсирующие клинья с соответствующим углом if) ( 33). При уменьшении угла заточки острие клина должно быть направлено к центру диска ( 33, б), при увеличении — к периферии диска ( 33, а). Известен и другой способ уменьшения угла заточки — снятие на передней грани ножа короткой фаски шириной не более 1,5 мм под углом около 20° ( 33, в).

Хотя с уменьшением угла заточки ножей и удается улучшить качество щепы, однако такие ножи быстрее подвержены затуплению, особенно при резании мерзлой древесины. При тупых ножах ухудшается подача древесины, срез щепы получается более грубым, шероховатым, появляется большое количество мелкой фракции, возрастает расход электроэнергии. Использованием высококачественных инструментальных сталей можно добиться уменьшения углов- заточки и более долговременной работы но^жей.

Помимо рассмотренных факторов на качество щепы оказывают влияние величина зазора At между лезвиями ножей и кромками контрножей (см.  31), а также состояние рабочих кромок контрножей и подиожевых пластин 5. Величина зазора At должна быть минимально возможной и строго отрегулирована в пределах 0,5—0,8 мм. При увеличении зазора ухудшается качество торцовых срезов частиц, появляется большое количество спичек и мелкой фракции. Рабочие кромки контрножей должны подвергаться своевременной заточке. При эксплуатации машин они постепенно затупляются, что приводит к снижению выхода кондиционной щепы. Радиус закругления рабочей кромки контрножа при износе должен быть не более 2 мм. Качество щепы в немалой степени зависит от своевременного и тщательного технического обслуживания рубительной машины в соответствии с требованиями завода-изготовителя.

Новые рубительные машины, предназначенные для выработки щепы на лесозаготовительных предприятиях, разрабатывают с учетом особенностей сырья. Во избежание трудоемкой подготовительной операции по раскалыванию чураков увеличивают проходное сечение патрона. Так, машина МРНП-40-1, предназначенная для комплектации установок УПЩ-6Б иЛТ-8, имеет патрон V-образной формы с углом разворота стенок 118°. Диаметр вписываемой в его поперечное сечение окружности составляет 440 мм. Это позволяет перерабатывать без рас

калывания лесоматериалы диаметром в 2 раза большим, чем в машинах типа МРНП-30. Поэтому сырье диаметром до 84 см раскалывают лишь за один проход. Производительность труда на подготовке сырья для измельчения в такой машине возрастает в 1,5—2 раза. Другой путь, устраняющий предварительное раскалывание крупномерных лесоматериалов, — измельчение сырья в многорезцовых дисковых машинах. В качестве режущих элементов в них используют резцы с коротким лезвием. Благодаря этому слой древесины срезается не одновременно по всему сечению лесоматериала, а отдельными частями одинаковой ширины. Многорезцовый диск позволяет снизить динамику процесса резания, уменьшить мощность привода и улучшить качество щепы за счет уменьшения доли крупной фракции, так как размер щепы по ширине регламентирован., Разработана конструкция многорезцовой рубительной машины МРГМ-01 с горизонтальной подачей лесоматериалов и нижним выбросом щепы. Она может перерабатывать крупномерное древесное сырье диаметром до 80 см и длиной до 24 м .

Рубительная машина с горизонтальной подачей МРГ-20Н приспособлена для измельчения отходов лесопиления, но может быть использована для переработки колотых и круглых лесоматериалов диаметром не более 20 см. Ножевой диск машины имеет определенный запас кинетической энергии, который ограничивает при горизонтальной подаче длину перерабатываемого сырья. Чем больше сечение измельчаемых лесоматериалов, тем меньше должна быть их длина. Так, при диаметре лесоматериалов 20 см предельная длина устанавливается не более 2,2 м. Длина сырья может быть увеличена при соответствующем уменьшении диаметра.

Загрузочный патрон машины расположен горизонтально, под углом 38° к плоскости ножевого диска. Машина выпускается в правом и левом исполнении. Отличительная особенность загрузочного патрона — переменное проходное сечение, которое на подходе к диску имеет специальную сферическую форму. Благодаря этому при перемещении к диску рейки собираются в пучок, а горбыль разворачивается по ширине и располагается в патроне по диагонали. Таким образом, при сравнительно небольшой длине режущих ножей и узком основании проходного сечения патрона удается перерабатывать горбыли шириной до 400 мм и толщиной до 50 мм. Внутри загрузочного патрона располагается коробка с нижней и боковой износными пластинами, к которым крепятся съемные контрножи. Боковая пластина образует с нижней острый угол 45°.

Как показали исследования [6], щепа в рубительных машинах после отруба движется вдоль подножевой щели и по направлению подачи лесоматериалов. Скорость движения частиц из зоны резания колеблется от 25 до 120 м/с. Удар щепы о стенку кожуха машины при такой высокой скорости вызывает расслоение щепы, в результате чего возрастает количество спичек и доля мелкой фракции. Поэтому конструктивные усовершенствования, направленные на снижение скорости выброса щепы и смягчения ее ударов, имеют важное значение. Усовершенствованная модель машины МРГ-20Б-1 разработана с безударным выбросом щепы. Это позволило на 5—6 % увеличить выход частиц кондиционной фракции.

Дисковая рубительная машина с горизонтальной подачей МРГ-40 имеет широкую область применения. Она пригодна не только для переработки крупномерных отходов лесопиления и шпалопиления шириной до 500 мм и длиной до 8 м , но и древесного долготья, дров и отходов лесозаготовок. В машине установлено два загрузочных патрона — основной и дополнительный. Основной патрон расположен горизонтально на передней части рамы под углом 41° к плоскости диска. В основании патрона смонтированы два контрножа: боковой крепится на стальном вкладыше, нижний — на подвижном основании, который может перемещаться шпонкой для регулирования зазора с .лезвиями ножей.

Дополнительный патрон установлен наклонно над основным патроном и предназначен для повторного измельчения крупной фракции щепы. Он может быть использован для переработки горбыля, реек и других мелких отходов лесоперерабатывающих производств. Патрон имеет два контрножа, которые крег пятся у основания подвижных стенок патрона. Перемещением стенок достигается изменение рабочего зазора между лезвиями ножей и контрножей. Все контрножи делаются съемными, с поочередно работающими кромками. Благодаря горизонтальной подаче сырья машину МРГ-40 мо&но устанавливать в технологических потоках на уровне действующих лесотранспортеров. В зависимости от интенсивности загрузки машины сырьем, его размеров и породы древесины мощность приводного электродвигателя может составлять 125—250 кВт.

Машины МРГ-40 выпускают с нижним и верхним выбросом щепы, который обеспечивается лопастями, установленными на приводной стороне диска. Чтобы уменьшить механические повреждения щепы, лопасти расположены в плоскости, являющейся продолжением поверхности подножевой щели. В комплекте машины с верхним выбросом рекомендуется использовать циклон № 3 Гипродрева. _

Передвижные рубительные машины в нашей стране не имеют столь разнообразного парка, как стационарные.. Одной из первых была разработана самоходная установка «Карпаты» производительностью 3 м3/ч. Первоначально ее выпускали на базе трактора ТДТ-40. Накопленный опыт позволил усовершенствовать конструкцию этой машины уже на базе трелевочного трактора ТДТ-55. Режущим органом машины МРГС-5 является плоский диск диаметром 1000 мм с четырьмя радиальными ножами. Патрон сечением 250x220 мм имеет горизонтальное расположение. Подача лесоматериалов диаметром до- 160 мм предусмотрена вручную. Отличительная особенность рубитель- ной машины — наличие второго горизонтального загрузочного патрона для подвода сучьев, которые измельчаются четырьмя ножами, расположенными на ободе диска. Для подачи сучьев имеется ленточный транспортер и вальцовый механизм. Производительность машины 5—8 м3/ч.

Серийно выпускают более совершенные самоходные рубительные установки ЛО-63А и ЛО-63Б, предназначенные для измельчения в щепу тонкомерных деревьев и лесосечных отходов. Конструкция самоходной рубительной установки ЛО-63А разработана на базе трелевочного трактора ТБ-1 с гидроманипулятором. Режущий орган представляет собой плоский диск диаметром 1270 мм с тремя радиальными ножами. Мощность привода 61 кВт. Часовая производительность до 10,6 м3. Горизонтально расположенный загрузочный патрон размерами 420X220 мм имеет механизм для принудительной подачи сырья, состоящий из горизонтальных вальцов. Выброс щепы в машине верхний — непосредственно в щеповоз через выпускную трубу. Подача сырья из запаса производится манипулятором с максимальным вылетом захвата 5 м.

Самоходная рубительная установка ЛО-63Б разработана на базе трелевочного трактора ЛП-18А. Конструкция установленной на ней рубительной машины идентична ЛО-63Б. Мощность привода составляет 81 кВт, благодаря чему производительность возросла до 15 м3/ч.

Подача сырья из запаса производится манипулятором с вылетом захвата до 5 м.

Общим недостатком передвижных рубительных установок на базе тракторов является недостаточная мобильность. При проведении лесосечных работ небольшими площадями и рубках ухода возникает необходимость частой перебазировки машины, для чего требуется тяжелый автомобильный прицеп — трейлер. Перебазировка машины своим ходом отнимает значительное время. Поэтому передвижные рубительные машины целесообразнее выпускать на базе автомобилей повышенной проходимости либо прицепными на одно- или двухосных прицепах.

Прицепную рубительную установку УРП-1 производительностью 15 м3/ч монтируют на одноосном прицепе. Привод мощностью 121 кВт от колесного трактора Т-150К. На подаче сырья из запаса используют манипулятор с вылетом захвата 7 м. Режущим органом является двухножевой плоский диск диаметром 1000 мм, расположенный наклонно — под углом 48° к горизонтальному направлению подачи. Загрузочный патрон снабжен вальцовым механизмом для принудительной подачи сырья, наибольший диаметр которого достигает 30 см. Обслуживает установку один оператор.

Процесс создания передвижных и прицепных рубительных машин, формирование их типажа находятся еще в начальной стадии, поэтому полезно сформулировать требования, которым

Ойи должны удовлетворять. Производительность мобильных машин должна быть определена не только на основании объемов лесосечных отходов или древесины от рубок ухода, но и с учетом интенсивности их образования на предприятии. Принудительная подача сырья в машинах должна осуществляться поштучно или пачками с помощью манипуляторов. Проходные сечения патронов должны учитывать крайне неоднородный размерный состав древесного сырья, среди которого одновременно могут находиться сучья, тонкомерные деревья и обломки крупных стволов. Следует предусматривать быструю переналадку машин на выпуск щепы различной длины.