Санкт-Петербургское научно-техническое общество «Целлюлозно

Санкт-Петербургское научно-техническое общество «Целлюлознобумажной и деревообрабатывающей промышленности»
ТЕХНОЛОГИЯ И ОБОРУДОВАНИЕ ЛЕСОПРОМЫШЛЕННЫХ
СКЛАДОВ
СОЗДАНО ПРИ ФИНАНСОВОЙ ПОДДЕРЖКЕ КОМИТЕТА ПО НАУКЕ И ВЫСШЕЙ
ШКОЛЕ ПРАВИТЕЛЬСТВА САНКТ-ПЕТЕРБУРГА
© Санкт-Петербургская государственная лесотехническая академия имени С.М. Кирова
(СПб ГЛТА), 2009
© Санкт-Петербургское научно-техническое общество «Целлюлозно-бумажной и деревообрабатывающей промышленности»
ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение
Глава 1. Общие сведения о лесопромышленных складах
1.1. Типы и особенности лесных складов
1.2. Производственная структура, режим работы и основные показатели лесопромышленных складов
1.3. Виды и характеристика запасов древесины на лесопромышленных складах
1.4. Хранение и способы защиты лесоматериалов
1.5. Вопросы для самопроверки
Глава 2. Теоретические основы лесообрабатывающих производств и
переместительных операций
2.1. Основные структурные элементы и особенности макростроения
древесины как механической системы
2.2. Пористость древесины и моделирование ее структуры
2.3. Способы, основные направления обработки и переработки древесного сырья
2.4. Пьезотермическое формование товаров народного потребления
из древесной массы
2.5. Механическая обработка древесины
2.6. Переместительные операции на лесопромышленных складах
2.7. Производительность оборудования
2.8. Вопросы для самопроверки
Глава 3. Разгрузка лесовозного транспорта
3.1. Типы грузоподъемных механизмов. Предъявляемые к ним требования. Грузозахватные устройства. Технологический процесс разгрузки
3.2. Разделительные и питающие устройства. Выбор и обоснование
основных параметров
3.3. Расчет производительности механизмов для разгрузки лесовозного транспорта
3.4. Вопросы для самопроверки
Глава 4. Очистка деревьев от сучьев
4.1. Способы очистки деревьев от сучьев
4.2. Поштучная очистка деревьев от сучьев
4.3. Групповая очистка деревьев от сучьев
4.4. Расчет производительности сучкорезных установок
4.5. Вопросы для самопроверки
Глава 5. Поперечная распиловка
5.1. Методы и способы поперечной распиловки
2
6
7
9
9
12
15
21
30
31
31
35
41
43
49
57
58
65
66
66
75
80
81
82
82
83
87
88
90
90
90
5.2. Классификация раскряжевочных установок. Режущий инструмент
5.3. Раскряжевочные установки с продольным перемещением хлыста. Кинематические и эксплуатационные расчеты механизмов
5.4. Многопильные раскряжевочные установки с поперечной подачей хлыстов. Кинематические и эксплуатационные расчеты механизмов
5.5. Вопросы для самопроверки
Глава 6. Сортировка круглых лесоматериалов
6.1. Общие положения
6.2. Сортировка на продольных транспортерах
6.3. Бревносбрасыватели
6.4. Сортировка на поперечных транспортерах
6.5. Сортировка лесоматериалов манипуляторами и другими видами
сортировочных установок
6.6. Вопросы для самопроверки
Глава 7. Окорка лесоматериалов
7.1. Виды и способы окорки. Требования к качеству окорки
7.2. Поштучная окорка, станки для поштучной окорки лесоматериалов. Принципы действия. Расчет параметров
7.3. Групповая окорка лесоматериалов. Барабанные и бункерные установки. Устройство. Принцип действия. Расчет параметров
7.4. Вопросы для самопроверки
Глава 8. Технология и оборудование для продольной распиловки лесоматериалов
8.1. Назначение и классификация станков для продольной распиловки. Выбор оптимальной схемы продольной распиловки
8.2. Круглопильные станки. Устройство и расчет параметров
8.3. Ленточнопильные станки. Устройство, расчет основных параметров
8.4. Лесопильные рамы. Устройство, расчет основных параметров
8.5. Технологические схемы работы лесопильных установок
8.6. Вопросы для самопроверки
Глава 9. Раскалывание и измельчение древесины
9.1. Раскалывание древесины
9.2. Измельчение древесины
9.3. Сортировка щепы
9.4. Вопросы для самопроверки
Глава 10. Внутрискладской транспорт
10.1. Виды внутрискладского транспорта
10.2. Транспортировка лесоматериалов и насыпных грузов машинами непрерывного транспорта
10.3. Безрельсовый транспорт
3
94
102
129
135
135
135
136
141
145
147
149
150
152
154
172
176
177
177
180
185
192
201
208
208
208
216
225
228
228
228
229
238
10.4. Рельсовый транспорт
10.5. Пневматический транспорт
Глава 11. Вспомогательные работы
11.1. Методы учета и определения объема круглых лесоматериалов
11.2. Заточка и правка режущего инструмента. Заточка ножей и пил,
вальцовка, прокат, развод зубьев
11.3. Вопросы для самопроверки
Глава 12. Технологические процессы лесообрабатывающих цехов
12.1. Общие положения
12.2. Производство балансов и рудстойки. Обоснование состава и
количества оборудования. Технологические схемы
12.3. Шпалопиление и лесопиление. Оборудование, технологические
схемы
12.4. Переработка низкокачественной древесины и отходов. Производство товаров народного потребления и промышленного назначения
12.5. Комбинированные лесообрабатывающие цехи
12.6. Хранение и отгрузка готовой продукции
12.7. Вопросы для самопроверки
Глава 13. Проектирование лесопромышленных складов
13.1. Общие положения
13.2. Прирельсовые лесопромышленные склады
13.3. Береговые лесопромышленные склады
13.4. Лесоперевалочные базы, склады сырья потребителей
13.5. Биржи сырья потребителей
13.6. Лесные порты
13.7. Моделирование и оптимизация лесоскладских и лесообрабатывающих процессов
13.8. Рациональное построение лесообрабатывающих линий
13.9. Перспективные направления проектирования
лесопромышленных складов
13.10. Вопросы для самопроверки
Глава 14. Требования безопасности к технологическим процессам
лесопромышленных складов
14.1. Общие положения
14.2. Требования к технологическим процессам
14.3. Размещение оборудования и организация рабочих мест
14.4. Опасные зоны на территории и в цехах склада
14.5. Требования безопасности к оборудованию лесопромышленных
складов
14.6. Заключение
14.7. Библиографический список
4
239
240
244
244
259
264
265
265
267
270
282
306
313
322
324
324
326
346
351
355
356
356
374
378
383
385
385
386
388
389
391
397
398
ВВЕДЕНИЕ
Среди богатств, которыми наделила Россию природа, лес является
самым значительным, именно он способен обеспечить экономическое процветание страны, благосостояние ее населения. Заготавливаемая при всех
видах рубок древесина является одним из немногих возобновляемых видов
природных ресурсов, представляющих ценнейшее сырье для многих видов
промышленности и находящих практически неограниченный рынок сбыта,
как в нашей стране, так и за рубежом. Последнее обстоятельство позволяет
привлекать в Российскую Федерацию необходимые валютные ресурсы, в
количествах хотя и меньших, нежели от экспорта нефти и газа, но при грамотном пользовании лесом, не ограниченных во временной перспективе.
На долю России приходится четверть всего мирового лесного покрова. В народнохозяйственной деятельности страны продукты леса используются практически во всех отраслях.
По запасам лесных ресурсов Россия занимает ведущее место среди
развитых лесопромышленных стран. Покрытая лесами площадь составляет
64,4% от всей территории России и равна 774,3 млн. га.
Общий запас достигает 81,9 млрд. м3, что в 4 раза больше, чем в
США и в 40 раз больше, чем в Швеции, почти в 16 раз больше, чем в Финляндии.
Однако экономический потенциал лесного сектора используется
лишь на 7–10 %. В России самая низкая среди развитых стран эффективность лесопользования. Съем леса с 1 га на порядок ниже, чем в Финляндии, Швеции, США и составляет 0,19…0,21 м3/га.
Основные направления развития лесной промышленности предусматривают повышение конкурентоспособности лесопромышленного комплекса и достижение Россией достойного места в мировом лесном секторе
экономики, сопоставимого с имеющимся лесосырьевым потенциалом.
Все подотрасли лесной промышленности технологически связаны
между собой на основе заготовки древесного сырья и его последующего
использования для переработки.
В настоящее время Правительство России рассматривает лесопромышленный комплекс в качестве одного из стратегических направлений
социально-экономического развития страны.
Уже в ближайшей перспективе объемы производства по деловой
древесине намечается увеличить до 224,2 млн. м3. Для достижения запланированных объемов производства государству необходимо принять меры
по созданию условий для развития отечественного лесопромышленного
комплекса. Эти меры должны быть направлены на повышение конкурентоспособности продукции в мировом лесном секторе, увеличение экспорта
продукции глубокой переработки древесины, сокращение вывозки за ру5
беж необработанного круглого леса, развитие отечественного машино- и
станкостроения для лесного сектора, создание дополнительных рабочих
мест и повышение жизненного уровня работников отрасли.
В лесозаготовительной промышленности, учитывая разнообразие
природно-производственных условий страны, предполагается: внедрение
систем машин нового поколения, как для «хлыстовой», так и для «сортиментной» технологии заготовки древесины, внедрение на лесопромышленных складах оборудования модульного типа, а также технологий заготовки и переработки всей фитомассы дерева для производства товаров народного потребления и использования в энергетических целях, снижение
экологической нагрузки до безопасного уровня воздействия промышленной деятельности на окружающую среду, начиная от лесозаготовок и
включая все направления переработки древесины, сокращение сброса загрязненных сточных вод и вредных веществ выбрасываемых в атмосферу;
внедрение на предприятиях технологий, соответствующих международным требованиям системы обеспечения качества.
Под технологией любого производства понимают науку о способах
обработки сырья или полуфабрикатов, а также последовательности выполнения операций, при которых происходят изменения размеров, формы,
свойств и месторасположения предмета труда по периодам времени обработки. Под технологией работ лесопромышленного склада следует понимать совокупность процессов по первичной обработке и частичной переработке заготовленного леса, выгрузке, сортировке, погрузке и другим переместительным операциям, выполняемым на лесопромышленном складе.
К технологии лесоскладских работ относят также вопросы взаимной
увязки отдельных технологических операций в технологический процесс
поточной линии или в систему машин.
Технология непосредственно связана с конструкцией оборудования
(машин, установок, станков и др.).
Установление основных параметров оборудования и его отдельных
узлов, расчет режимов работы, потребной мощности и возможной производительности являются технологическими вопросами, зависящими от характера операций, выполняемых оборудованием.
Технология работы и конструкция оборудования взаимосвязаны и не
могут рассматриваться раздельно друг от друга.
6
Глава 1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ЛЕСОСПРОМЫШЛЕННЫХ
СКЛАДАХ
1.1. Типы и особенности лесных складов
Лесопромышленный склад – это часть территории лесоперерабатывающего предприятия, на которой укладываются лесоматериалы, предназначенные для хранения, последующей транспортировки или переработки на месте, а также установленная здесь система машин, обеспечивающая
переместительные и обрабатывающие операции.
Лесопромышленные склады подразделяются: (рис. 1.1) на склады
лесозаготовительных предприятий (нижние склады); лесоперевалочные
базы (в том числе и лесные порты); склады (биржи сырья) потребителей деревообрабатывающих предприятий. По месту расположения лесопромышленные склады делятся на прирельсовые и береговые.
Перспективы совершенствования работы лесопромышленных складов непосредственно связаны с общей тенденцией развития всего лесозаготовительного производства. В последнее время появилось мнение, что
склады лесозаготовительных предприятий не нужны. Это справедливо в
двух случаях. Первый, когда вывозка хлыстов (или деревьев) производится
непосредственно на склады потребителей. Второй, когда выработка сортиментов и их сортировка производится на лесосеке или верхнем складе, и
они также доставляются непосредственно потребителям.
Первое направление - непосредственная доставка хлыстов (или деревьев) на склады сырья лесопромышленных комплексов будет содействовать дальнейшей механизации и автоматизации производственных процессов, комплексному использованию древесины.
Если из-за дальности перевозок это окажется экономически нецелесообразно, то лесопромышленные склады лесозаготовительных предприятий будут превращаться в небольшие производственные комплексы, где
будет организована не только первичная обработка, но и частичная переработка вывезенного леса.
Второе направление, предусматривающее выработку сортиментов
на лесосеке, находит применение в тех случаях, когда сортименты можно
вывозить с лесосеки непосредственно на специализированные предприятия
занимающиеся их последующей переработкой, например лесопильные заводы. Однако, такая технология хуже сказывается на комплексном использовании сырья.
Более прогрессивным направлением совершенствования лесозаготовительного процесса является переработка древесного сырья на промплощадках. В этом случае есть возможность организовать первичную обра-
7
ботку и частичную переработку древесины на базе мобильной системы
машин.
Под первичной обработкой, в общем случае, подразумеваются операции по механической обработке деревьев, хлыстов и сортиментов, в результате которых изменяются их вид, размеры и качество. К ним относятся
очистка деревьев от сучьев, раскряжевка, окорка, раскалывание круглых
лесоматериалов, удаление гнили. В результате первичной обработки в
большинстве случаев получаются полуфабрикаты, поступающие в дальнейшую переработку на этом же складе.
Рис. 1.1. Схема территориального размещения лесопромышленных
складов различных типов
Лесопромышленные склады лесозаготовительных предприятий характеризуются постоянством рабочих мест, концентрацией производства,
единой, устойчивой энергетической базой.
Срок действия складов на одном месте исчисляется десятками лет, а
в непрерывно действующих предприятиях неограничен. Через склад в течение года проходит до 300, а иногда до 500–600 тыс. м3 заготовленного
леса. Такой большой объем обрабатываемой лесопродукции длительный
срок действия позволяют возводить на лесопромышленных складах капитальные сооружения, применять высокопроизводительное специализированное оборудование. Таким образом, создают благоприятные условия для
комплексной механизации и частичной автоматизации производственных
процессов. Еще более благоприятны условия на лесоперевалочных базах,
8
грузооборот и срок действия которых больше, чем у лесопромышленных
складов. Наряду с этим необходимо иметь в виду, что автоматизация производственных процессов на складах связана с некоторыми трудностями,
вытекающими из условий работы, характера сырья и вида получаемой из
него продукции. На складах автоматические и полуавтоматические установки в большинстве случаев должны работать на открытом воздухе или в
неотапливаемых помещениях, в условиях повышенной влажности и резко
изменяющихся температур. Поэтому здесь средства автоматизации, применяемые в машиностроении, деревообработке и других производствах,
часто оказываются малопригодными. Трудности вызываются и тем, что
сырье и готовая продукция чрезвычайно разнообразны по размерам, форме
и качеству. Так, объем хлыстов, поступающих на одну и ту же раскряжевочную установку, может колебаться от 0,1 до 3 м3.
На лесопромышленных складах применяют автоматизированные (автоматические и полуавтоматические), а также механизированные установки. Автоматические установки действуют без непосредственного вмешательства человека, а только под его наблюдением. Они работают по одной
заданной программе либо сами выбирают (в соответствии с размерами сырья) одну из заложенных в них программ. Полуавтоматическими установками управляет оператор, который, оценивая размеры и качество каждой
единицы сырья, задает программу последовательности выполнения отдельных элементов операций, а установка автоматически выполняет эту программу. В механизированных установках выполнение каждого элемента
операции осуществляется отдельно непосредственным воздействием оператора на рычаги, рукоятки, педали и т.п. Иногда это воздействие осуществляется с пульта управления; установки такого типа не являются автоматизированными, их условно называют установками с дистанционным управлением.
Лесопромышленные склады включают следующие производственные участки и потоки:
− основной технологический поток (поточная линия) по производству круглых лесоматериалов, включающий разгрузку подвижного состава, очистку деревьев от сучьев, раскряжевку
хлыстов, сортировку круглых лесоматериалов;
− дополнительные технологические потоки (производство короткомерных круглых лесоматериалов и переработка низкокачественной древесины);
− технологические потоки механической переработки древесины
(лесо - и шпалопиление);
− вспомогательные технологические потоки по переработке отходов (сучьев, коры и пр.);
− производственные участки штабелевки отгрузки продукции.
9
Технологический процесс лесопромышленного склада, применяемое
на нем оборудование, степень обработки и переработки древесины, технико-экономические показатели работы склада в значительной степени зависят от ряда факторов, к которым относятся: тип лесовозной дороги, по которой древесина доставляется на склад; вид лесоматериалов доставляемых
на склад; пункт примыкания склада (автодорога, железная дорога, река);
годовой грузооборот склада; породные и размерно-качественные характеристики поступающего леса; вид отгружаемой готовой продукции.
1.2. Производственная структура, режим работы и основные
показатели лесопромышленных складов
Объем и перечень работ, выполняемых на лесных складах, зависят от
назначения и типа склада, способов доставки и отгрузки лесоматериалов,
наличия вблизи специализированных деревообрабатывающих предприятий
и других факторов. Взаимная связь отдельных операций на лесопромышленном складе характеризуется структурной схемой технологического
процесса. Приведенная на рис. 1.2 схема является типичной для прирельсового лесопромышленного склада, расположенного вдали от специализированных деревообрабатывающих и перерабатывающих предприятий. Все
работы на лесопромышленном складе осуществляют в отдельных взаимосвязанных цехах, участках и поточных линиях, состоящих из различных
машин и установок, выполняющих в определенной последовательности
основные и вспомогательные операции.
Основными показателями работы склада являются его грузооборот,
вместимость, занимаемая площадь и продолжительность работы в течение года.
Грузооборотом лесного склада Q называют объем лесоматериалов в
кубических метрах, пропускаемый через склад в единицу времени (сутки,
месяц, сезон, год и т.д.). Вместимостью лесного склада Е называют объем
лесоматериалов в кубических метрах, который может быть единовременно
размещен на территории склада. Площадь лесного склада Fбр – это общая
площадь (в квадратных метрах), занимаемая лесоскладским оборудованием, сооружениями, штабелями и разрывами между ними, внутрискладскими путями, погрузочными тупиками и т. п. Продолжительность работы
склада в течение года Т выражается в днях и равняется общему числу календарных дней в году за вычетом выходных дней.
Лесной склад характеризуется также режимом работы, показывающим сроки и объемы поступления заготовленного леса, его обработки, выхода готовой продукции и отгрузки ее со склада. Наглядно режим работы
можно представить в виде интегральных графиков поступления, обработки
и отгрузки лесоматериалов (рис. 1.3). Режим работы лесного склада в ос-
10
новном зависит от типа транспорта, подающего заготовленный лес на
склад и отгружающего готовую продукцию.
Рис. 1.2. Структурная схема технологического процесса прирельсового
лесопромышленного склада
На прирельсовых лесопромышленных складах поступление сырья и
отгрузка готовой продукции осуществляются в основном непрерывно (с
некоторыми перерывами в периоды распутицы), поэтому работа на таких
складах производится почти равномерно в течение всего года (Рис. 1.3, а).
Линия I показывает нарастающим итогом прибытие древесины на склад, а
линия II - поступление их в обработку (обрезку сучьев, раскряжевку, сортировку, окорку, разделку на коротье и т.д.). Линия III изображает выход
готовой продукции, а линия IV - отгрузку ее со склада. Разности ординат
дают: линий I и II – запас сырья на складе, линий II и III – количество получающихся при обработке отходов, линий III и IV – запас готовой продукции у фронта отгрузки. Разность ординат точек А и Б соответствует годовому грузообороту лесопромышленного склада Qгс (по сырью), а ордината точки В – годовому объему отгружаемой готовой продукции Qгп. Разность ординат точек Б и Г дает переходящий запас деревьев или хлыстов
на 1 января, а ордината точки Г – переходящий запас готовой продукции на
это же время. Величины этих запасов выбирают такими, чтобы линии I и
II, а также III и IV между собой нигде не пересекались. Вместимость склада для хранения запаса деревьев или хлыстов рассчитывают по наибольшей из разностей ординат линий I и II (Ес), а для хранения готовой продукции – по разности ординат линий III и IV (Eп).
11
При подборе типов и количества оборудования, а также подсчете
потребных площадей для готовой продукции аналогичные графики следует строить отдельно для каждого сортимента.
Рис. 1.3. Графики режима работы: а – прирельсового склада;
б - берегового склада; в и г – лесоперевалочной базы
На береговых лесопромышленных складах поступление сырья
обычно круглогодовое, а готовую продукцию отгружают только в летний
период. В связи с этим режим работы берегового склада (рис. 1.3, б) существенно отличается от режима работы прирельсового склада. Значения отдельных кривых на графике, приведенном на рис. 1.3, б, такие же, как и на
рис. 1.3, а. Наибольший запас готовой продукции (Еп) на береговых складах накапливается ко дню открытия навигации и достигает значительных
объемов, особенно при кратковременном сплаве.
На лесоперевалочных базах поступление сырья часто сезонное, а
отгрузка готовой продукции круглогодовая. Переработку сырья на этих
складах можно производить по графику прибытия, т.е. сразу же после выгрузки из воды (рис. 1.3 в), или по графику отгрузки (рис. 1.3, г). Интегральные графики для лесоперевалочных баз наиболее удобно строить на12
чиная со дня открытия навигации (например, с 1 июня). На этих графиках
линия Q изображает прибытие лесоматериалов на рейд приплава; линия I –
выгрузку из воды; II – переработку; III – выход готовой продукции и IV –
отгрузку готовой продукции.
Разность ординат между линиями Q и I дает запас сырья на воде Ев,
между линиями I и II – запас сырья на складе Ес и между линиями III и IV –
запас готовой продукции Еп. При переработке сырья по графику прибытия
запасы сырья на суше отсутствуют, а запасы готовой продукции достигают
значительных размеров. При переработке по графику отгрузки на складе
должны храниться большие запасы сырья, запасы же готовой продукции
незначительны.
1.3. Виды и характеристика запасов древесины на
лесопромышленных складах
Целесообразность создания запасов сырья. Производственные запасы представляют собой определенное количество предмета труда, находящееся на складах, предназначенное для вовлечения в производство, но
еще не вступившее в производственный процесс. Причиной образования
производственных запасов являются неравномерность образования отдельных видов материальных ресурсов, особенности их транспортировки
от поставщика к потребителю, несовпадение ритма поставки и использования этих материальных ресурсов.
Создание любого запаса связано с определенными материальными и
трудовыми затратами, поэтому наиболее предпочтительным является производство вообще без наличия запасов, либо при их небольшой величине.
Для лесопромышленных складов это практически невозможно, так как отсутствие запасов лесоматериалов влечет за собой длительные простои лесоскладского оборудования. Между тем, создание больших запасов приводит к значительным затратам, снижающим эффективность лесопромышленного производства. Поэтому величина любых запасов лесоматериалов
должна быть всесторонне обоснована.
В сложившейся практике лесопромышленного производства принято
различать запасы лесоматериалов по виду лесоматериалов, укладываемых
в запас (сырье, полуфабрикаты, готовая продукция), и по назначению самих запасов. Вместимость склада должна соответствовать наибольшей величине размещаемых на нем запасов.
По виду укладываемых лесоматериалов различают запасы сырья,
полуфабрикатов и готовой продукции. Запасы сырья (деревьев, хлыстов и
т.д.) укладывают в основном потоке или в стороне от него. Запасы полуфабрикатов укладывают перед соответствующими цехами и участками.
13
Запасы готовой продукции размещают у фронта отгрузки на железную дорогу МПС, погрузки в суда или сдачи в сплав.
По своему назначению запасы лесоматериалов на лесопромышленных складах делят на сезонные, резервные, межоперационные и технологические.
Сезонные запасы создаются в местах стыка технологического процесса лесопромышленного склада с лесовозным транспортом и путями
общего пользования, призваны обеспечить постоянное функционирование
лесопромышленного склада и защитить его от последствий, связанных с
запланированными или случайными длительными перебоями в поступлении сырья и отгрузке готовой продукции.
Резервные запасы лесоматериалов предназначены для обеспечения
бесперебойной и ритмичной работы отдельных участков, цехов и поточных линий лесопромышленного склада путем сглаживания (снижения,
устранения) неравномерности их работы, вызванной случайными или запланированными обстоятельствами. Резервные запасы создаются на участке выгрузки сырья в месте примыкания к лесопромышленному складу лесовозной дороги, перед цехами лесопромышленного склада, на участке
штабелевки и отгрузки готовой продукции. Создание резервных запасов
также необходимо при разном числе смен работы смежных участков. По
существу, такую же роль играют межоперационные запасы лесоматериалов, только они создаются между смежными станками, входящими в состав отдельной поточной линии. Технологические запасы, чаще всего, связаны с необходимостью просушки некоторых видов готовой продукции
перед отгрузкой их потребителям.
Как уже отмечалось, создание любого запаса связано с дополнительными трудозатратами и капиталовложениями, поэтому наиболее желательна работа вообще без запасов. Однако, практически это невыполнимо,
так как отсутствие запасов поведет к значительным простоям всего лесоскладского оборудования. Наряду с этим создание слишком больших запасов нецелесообразно, так как ведет к увеличению складских территории,
возникает потребность в дополнительном подъемно-транспортном оборудовании и т.п. Поэтому определение оптимальных размеров запасов является одной из важнейших задач, возникающих при проектировании лесопромышленных складов лесозаготовительных предприятий.
Величина сезонного запаса сырья (деревьев или хлыстов) может
быть определена из интегрального графика режима работы (рис. 1.3, а).
Вывозка по лесовозной дороге характеризуется линией I, при этом предусмотрено прекращение вывозки в периоды весенней tPB и осенней tPO распутиц, а также большая интенсивность работы лесовозного транспорта в
зимнее время по сравнению с летним. Очистку деревьев от сучьев и раскряжевку хлыстов на лесопромышленном складе (линия II) наиболее целе14
сообразно производить равномерно в течение всего года, за исключением
кратковременной плановой остановки на ремонт tрем (во время весенней
или осенней распутицы).
Расстояние между линиями I и II характеризует величину сезонного
запаса. Наибольший запас сырья Ес будет к началу прекращения вывозки в
связи с весенней распутицей (на приведенном графике – в начале апреля).
Из графика видно, что величина наибольшего сезонного запаса деревьев
или хлыстов определяется
E c = Q31 + (Q32 − G32 ) − G31 = Q3 − G3 ,
(1.1)
где: Q3 = Q31 + Q32 и G3 = G31 + G32 - соответственно объем вывозки и
очистки деревьев от сучьев (раскряжевки хлыстов) в зимний период.
Практически при вывозке леса по дорогам круглогодового действия
сезонные запасы деревьев или хлыстов на лесопромышленном складе достигают 10-12% годового грузооборота.
При большом грузообороте лесного склада эти запасы достигают
столь значительных объемов, что не могут быть полностью размещены в
основном технологическом потоке. Поэтому часть сезонного запаса сырья
(деревьев или хлыстов) располагают в стороне от сучкорезных или раскряжевочных установок (на так называемых промежуточных складах) и
обслуживают отдельным разгрузочно-штабелевочным оборудованием.
В тех случаях, когда сезонный запас сырья полностью хранится непосредственно на лесопромышленном складе, общий запас сырья на складе к началу периодов весенней и осенней распутиц будет равен сумме величин сезонного и резервного запасов. В остальное время допускается
меньшее значение величины суммарного запаса сырья, но не ниже величины резервного запаса.
Наиболее простым является определение величины резервного запаса Ер.с. с учетом типа лесовозной дороги
Е р.с. = Qсут ⋅ t п ,
(1.2)
где: Qсут - суточный объем вывозки, м ; tп - длительность простоев лесовозной дороги по случайным причинам, сут. Величина tп зависит от типа
лесовозной дороги, климатических условий района размещения лесопромышленного предприятия, и составляет: для грунтовых дорог около 5 сут;
для гравийных и узкоколейных - 3 сут.
Более объективным является определение величины резервного запаса сырья с использованием теории массового обслуживания, учитывающей совокупность затрат, связанных как с созданием резервного запаса,
так и с дополнительными затратами производства по вывозке лесоматериалов и их первичной обработке, обусловленными несоответствующей
величиной резервного запаса сырья.
3
15
Затраты, связанные с созданием резервного запаса сырья, включают
в себя затраты на обустройство и оснащение склада для хранения резервного запаса совместно с необходимыми эксплуатационными расходами.
Если фактическое значение величины резервного запаса будет меньше оптимального значения, возможны периоды времени, когда оборудование
основного производственного потока будет простаивать вследствие отсутствия сырья. В противном случае вероятны снижение интенсивности вывозки и простои лесовозного транспорта, обусловленные переполнением
склада сырья. И то и другое приводит к дополнительным затратам и снижению эффективности лесопромышленного производства.
Оптимальному значению величины резервного запаса сырья должно
соответствовать минимальное значение совокупности рассмотренных затрат.
Резервные запасы сырья хранятся на территории склада в штабелях,
частично на эстакадах сучкорезных и раскряжевочных установок, в устройствах для разобщения пачек лесоматериалов. Тип и размеры штабелей
определяются видом вывозимых лесоматериалов и параметрами оборудования, предназначенного для создания резервного запаса.
Резервные запасы лесоматериалов перед перерабатывающими цехами по виду лесоматериалов представляют собой запасы: сортиментного
долготья, подлежащего окорке и разделке на короткомерные материалы;
пиловочные, шпальные и тарные бревна; низкокачественные лесоматериалы, предназначенные для переработки; балансы и т.п.
Нормативное значение резервных запасов лесоматериалов перед перерабатывающими цехами должно равняться двух-трех сменному объему
переработки. Такая величина резервного запаса достаточна для ритмичной
работы цехов при неравномерном выходе отдельных сортиментов на раскряжевке хлыстов, разном коэффициенте сменности у перерабатывающих
цехов и основного производственного потока по выпуску круглых лесоматериалов. Величину резервных запасов лесоматериалов можно определить
с использованием теории массового обслуживания при условии минимального значения затрат на создание этих запасов.
Резервные запасы могут находиться в лесонакопителях сортировочного транспортера, в штабелях вдоль фронта сортировки круглых лесоматериалов, на площадке непосредственно перед цехом в штабелях, кучах,
поленницах и т.п. (в зависимости от вида лесоматериалов и назначения перерабатывающего цеха).
Величина межоперационного запаса деревьев или хлыстов Емс определяется исходя из того, что Поточные линии лесопромышленного производства включают в свой состав оборудование, предназначенное для выполнения отдельных технологических операций. Как правило, это оборудование проектируется и изготавливается без учета возможной взаимосвязи друг с другом, имеет различную надежность и неодинаковый ритм работы.
16
Вследствие этого перед каждой сучкорезной (или раскряжевочной)
установкой должно размещаться не менее полутора-двух пачек деревьев
или хлыстов, выгруженных с подвижного состава лесовозной дороги или
поданных из штабелей. Таким образом, имеем:
Е мс = iП iСVП ,
(1.3)
где: VП – объем выгружаемой пачки деревьев или хлыстов; iC – число сучкорезных или раскряжевочных установок на лесопромышленном складе; iП
– число пачек, размещаемых перед каждой сучкорезной или раскряжевочной установкой.
Чтобы исключить возможное влияние смежных установок друг на
друга, необходимо избавляться от жесткой связи, предусматривающей передачу обрабатываемых лесоматериалов непосредственно от одной установки к другой. Более предпочтительна гибкая связь, когда между смежными установками размещается межоперационный запас лесоматериалов
компенсирующий возможные изменения ритма работы и кратковременные
простои этих установок.
Устройства, служащие для размещения межоперационных запасов
называются буферными магазинами или буферными площадками.
Запасы полуфабрикатов. К полуфабрикатам на лесопромышленных складах относят: хлысты, обработанные на сучкорезных установках и
подлежащие раскряжевке на сортименты; сортиментное долготье, подлежащее окорке; окоренное сортиментное долготье, подлежащее разделке на
короткомерные лесоматериалы; шпальные бревна, подлежащие распиловке на шпалы; пиловочник, поступающий для распиловки в лесопильный
цех; круглые лесоматериалы, подлежащие переработке на тарные дощечки,
колотые балансы, технологическую щепу и т.п.
Установки, вырабатывающие полуфабрикаты, и оборудование, перерабатывающее полуфабрикаты в готовую продукцию, на лесопромышленных складах в течение года обычно работают равномерно, не имея заранее запланированных изменений ритма работы, а также длительных остановок (за исключением периода остановки всего склада на время планового ремонта). В связи с этим на лесопромышленных складах сезонных запасов полуфабрикатов обычно не создается.
Наряду с этим, вследствие случайных причин, выход отдельных
сортиментов, получающихся при раскряжевке хлыстов, неравномерен; поэтому перед перерабатывающими цехами или установками должны создаваться резервные запасы полуфабрикатов. По существующим нормативам
их объем должен равняться 2–3 - сменному объему переработки. Такие запасы обеспечивают сравнительно ритмичную работу цеха даже в том случае, когда полуфабрикаты подаются в течение двух смен в сутки, а цех работает в одну смену, или наоборот.
17
Между смежными технологическими установками, входящими в
одну поточную линию, следует создавать межоперационные запасы полуфабрикатов, компенсирующие изменения ритма работы и кратковременные остановки любой из этих установок. Такие запасы размещают в буферных магазинах или на площадках, вместимость которых должна обеспечить с требуемой вероятностью Pi ритмичную работу поточной линии.
Эта вместимость, равная наибольшему межоперационному запасу
Ем, может быть определена по формуле:
Ем =
П см ( ∆ t I + ∆ t II )
,
Tсм
(1.4)
где: Псм – наименьшая из расчетных производительностей смежных технологических установок, м3/смену; Тсм – продолжительность смены; ∆tI –
возможная длительность простоя первой технологической установки (соответствующая принятой вероятности устойчивой работы буферного магазина pI при которой не происходит его переполнения или опорожнения),
мин; ∆tII - то же для второй технологической установки (при pII).
Запасы готовой продукции. К готовой продукции на лесопромышленных складах относят: круглые лесоматериалы, отгружаемые в неразделанном виде (строительные бревна, лиственные деловые круглые
сортименты, иногда пиловочник, рудстоечное и балансовое долготье и
т.п.), разделанную рудничную стойку и балансы, шпалы, пиломатериалы,
тарные дощечки, технологическую щепу и др. Запасы готовой продукции
размещают у фронта отгрузки. Неразделываемые сортименты поступают к
фронту отгрузки от сортировочных установок. Продукция, получающаяся
в результате обработки или переработки полуфабрикатов, подается на
склад готовой продукции соответствующих цехов, при этом она в ряде
случаев в этих цехах также подвергается необходимой сортировке.
У фронта отгрузки создают сезонные и резервные запасы готовой
продукции; кроме того, для некоторых видов продукции предусматривают
технологические запасы. Межоперационные запасы в данном случае не
создают, а их роль выполняют резервные запасы. Объем запаса готовой
продукции у фронта отгрузки определяют отдельно для каждого вида продукции (для каждого сортимента).
Сезонные запасы готовой продукции предназначены обеспечить
нормальную работу во время заранее запланированных остановок работы
цехов лесопромышленного склада или перерывов вывозки со склада готовой продукции средствами железнодорожного или водного транспорта.
Перерабатывающие цеха лесопромышленного склада обычно работают в
течение года равномерно и останавливаются только на сравнительно кратковременный период ремонта (tРЕМ). Годовой график выхода готовой продукции на рис. 1.3, а изображен линией III.
18
На прирельсовых лесопромышленных складах чаще всего отгрузку
готовой продукции на подвижной состав железных дорог планируют равномерной в течение всего года без перерывов - линия IV. Величину сезонного запаса готовой продукции ЕП определяют по формуле:
Q ГП t РЕМ
ЕП =
,
(1.5)
Т
где: QГП – годовой объем отгрузки готовой продукции.
Для береговых лесопромышленных складов интегральный график
выхода и отгрузки готовой продукции изображен на рис. 1.3, б. Погрузку в
суда или сдачу в сплав (линия IV) производят только в летний период, и к
его началу на складе накапливается наибольший сезонный запас ЕП, величину которого определяют из выражения:
Q (T − t РЕМ − t НАВ )
Е П = ГП
,
(1.6)
(Т − t РЕМ )
где: tНАВ – продолжительность периода навигации.
Резервные запасы готовой продукции у фронта отгрузки призваны
компенсировать возможные перебои в выпуске продукции, неравномерность подачи под погрузку транспорта или передачи лесоматериалов в
сплав. Величина резервного запаса готовой продукции колеблется в пределах от 15 до 45 суточного объема отгрузки.
Величину технологических запасов готовой продукции у фронта
отгрузки определяют сроком просушки, зависящим от местных условий и
соглашений с потребителями.
1.4. Хранение и способы защиты лесоматериалов
Порядок размещения и способы укладки лесоматериалов. Основными факторами, обеспечивающими процесс хранения и защиты лесоматериалов, являются: порядок размещения, способы укладки и комплекс
мероприятий по предотвращению их порчи с момента поступления на лесопромышленный склад до отгрузки в виде конечной продукции.
Порядок размещения лесоматериалов должен обеспечивать:
• рациональное использование территории лесопромышленного склада;
• правила техники безопасности при эксплуатации оборудования, используемого для создания и хранения запасов лесоматериалов;
• требования по соблюдению целесообразных значений объемов запасов лесоматериалов;
• условия противопожарной безопасности при хранении запасов лесоматериалов.
19
Круглые лесоматериалы укладывают в штабели различных типов:
плотные, рядовые, плотно-рядовые, пачковые, пакетные, рис. 1.4. – а, б, в,
г, д, е.
Короткие круглые и колотые лесоматериалы (длиной до 2 м) могут
храниться в поленницах (рис. 1.4 ж, з) или кучах, порубочные остатки – в
валах кучах, щепа – в кучах.
а
б
в
г
д
е
ж
з
Рис. 1.4. Типы штабелей и поленниц: а – рядовой; б – пачковый; в – плотный; г – пакетный из контейнеров; д – пакетный из пучков; е – плотно-рядовый; ж – поленницаклетка; з – плотная поленница
В рядовых штабелях лесоматериалы располагают параллельными
рядами, между которыми укладывают две-три линии прокладок. Штабеля
такой конструкции обеспечивают лучшую по сравнению с другими типами
штабелей просушку лесоматериалов, но применяются редко так как требуют ручной раскатки. Коэффициент полнодревесности ∆ рядового штабеля (отношение объема уложенных лесоматериалов к геометрическому объему штабеля) приблизительно равен ∆=0,45 ÷ 0,55.
В пачковых штабелях пачки лесоматериалов отделяют друг от друга горизонтальными и наклонными или вертикальными прокладками.
Штабеля такого типа применяют при укладке лесоматериалов лебедками
или кранами, снабженными стропами. Объем пачек, укладываемых в штабель, соответствует грузоподъемности штабелевочного оборудования. Коэффициент полнодревесности пачкового штабеля ∆=0,6 ÷ 0.65.
В плотные штабеля укладывают лесоматериалы при использовании
на штабелевке кранов с торцовыми или челюстными грейферами. Коэффициент полнодревесности плотного штабеля составляет ∆=0,65 ÷ 0,7.
20
В плотно-рядовом штабеле лесоматериалы укладываются многослойными рядами, отделенными друг от друга горизонтальными прокладками. По интенсивности циркуляции воздуха, вместимости и возможной
степени механизации работ плотно-рядовой штабель занимает промежуточное значение между плотными и рядовыми штабелями.
Для штабелей из деревьев коэффициент полнодревесности принимается на 5…7 % меньше, чем для хлыстов.
На отдельных лесопромышленных складах получила распространение система единого пакета, при котором лесоматериалы хранят и перевозят в пакетах, имеющих фиксированную форму, размеры и массу, согласованные с габаритом подвижного состава и грузоподъемностью погрузочного оборудования. Формируют пакеты в гибкой или жесткой обвязке, обрешетке или контейнере и хранят в пакетных штабелях. Ряды пакетов могут укладываться параллельно или перпендикулярно относительно друг
друга. Поленницы укладывают и разбирают грейферными кранами, автопогрузчиками или вручную. Коэффициент полнодревесности поленниц составляет ∆=0,7 ÷ 0.75. Хранение коротья в кучах применяют на лесных
складах целлюлозно-бумажных предприятий, накапливающих одновременно большое количество сырья. Кучи укладывают наклонными лесотранспортерами (стаккерами), а разбирают грейферными кранами. Коэффициент полнодревесности куч составляет ∆=0,45 ÷ 0,5.
Размеры штабелей, а также их размещение на лесопромышленном
складе определяются правилами пожарной безопасности, безопасных условий укладки и технологическими возможностями штабелевочного оборудования. Длина штабелей долготья практически не ограничена и зависит
в основном от типа штабелевочного оборудования. При использовании для
этой цели лебедок или кабельных кранов длина штабелей достигает
250-300 м; при штабелевке башенными или консольно-козловыми кранами
20-25 м; при ручной раскатке 10-20 м. Высота штабелей долготья доходит
до 10-12 м (полуторной длины укладываемых лесоматериалов).
Примерные размеры штабелей в зависимости от вида лесоматериалов, назначения штабеля и его расположения могут иметь следующее значение:
а) штабели хлыстов, деревьев
длина ......................................................... зависит от применяемого крана;
ширина ...................................................... то же.
б) штабели долготья
на резервных складах сырья у цехов:
длина ......................................................... 10–20 м;
высота ....................................................... 4–6 м.
на складах у отгрузочных железнодорожных путей:
длина ......................................................... 20–25 м;
21
высота ....................................................... 4–6 м;
на складах при примыкании лесовозных дорог к сплавным рекам при механизированной трелевке и скатке:
длина ......................................................... 60–150 м;
высота при укладке лебедками и длина сортиментов, м;
3,0–5,0........................................................ 4–5 м;
5,1–6,5 ....................................................... 6–8 м.
высота при укладке кранами и длине сортиментов, м:
3,0–5,0 ........................................................ до 6м;
5,1–6,5 ........................................................ 7–12 м.
в) штабели коротких сортиментов:
длина ........................................................ до 30 м;
высота ...................................................... 2–4 м.
г) штабели пиломатериалов:
длина ........................................................ до 30 м;
высота при укладке
башенными кранами .................................... до 10м;
консольно-козловыми кранами .................. до 6 м;
автопогрузчиком ......................................... до 6 м.
д) кучи щепы
длина ....................................................... до 50 м;
ширина .................................................... до 30 м;
высота ...................................................... до 10 м.
Для удобства обслуживания запасов и соблюдения противопожарной
безопасности, между соседними штабелями нужно соблюдать интервалы
до 2 м, между группами штабелей разрывы должны быть около 15 м. Площадь группы штабелей круглых лесоматериалов должна быть около 2 га,
пиломатериалов – не более 900 м2.
Дороги и проезды на территорию склада должны использоваться для
противопожарных целей. Если по условиям производства дороги не требуются, на территории склада необходимо устраивать пожарные проезды с
шириной проезжей части 3 м и обочинами по 2 м с каждой стороны.
В некоторых случаях запас лесоматериалов перед перерабатывающими цехами хранят в бассейне (на плаву). Наиболее часто бассейны устраивают перед лесопильными цехами и окорочными установками. Они
служат для оттаивания и подсортировки лесоматериалов. Бассейн представляет собой котлован глубиной не менее 1,5 м, наполненный водой. В
среднем для размещения 1 м3 лесоматериалов требуется от 8 до 12 м2 площади бассейна в зависимости от диаметра бревен.
Потребное число штабелей п отдельно для каждого сортимента рассчитывают по формуле
22
n=
Е
,
V1
(1.7)
где: Е - наибольший объем лесоматериалов данного сортимента, подлежащий укладке на складе; V1 - объем одного штабеля.
Принимая размеры штабеля: длину на половине высоты – L, ширину (среднюю длину сортимента) l и высоту h, получаем:
V1 = lLh∆ .
(1.8)
Для определения необходимой площади под складирование лесоматериалов следует знать его удельную вместимость (е) (м3/м2), т.е. количество кубических метров лесоматериалов, которое может быть уложено на 1
м2 складской территории (брутто):
V
h∆
е= 1 =
,
(1.9)
lLК
К
где: К – коэффициент, учитывающий площади, занимаемые оборудованием, проездами, разрывами, между смежными штабелями и т.п.; для береговых складов этот коэффициент составляет 2-2,5; для прирельсовых складов
с развитой переработкой лесоматериалов 3-4.
Общую потребную площадь для складирования данного сортимента
Fбр определяют по формуле:
Е
Fбр = .
(1.10)
е
Штабели формируются в зависимости от породы дерева, размеров. В
один и тот же штабель укладываются сортименты, отличающиеся по длине
не более чем на 1 м для хвойных и 0,5 м – для лиственных пород.
Способы защиты древесины. В процессе хранения в лесоматериалах могут появиться пороки в результате повреждения насекомыми, поражения грибами и образования трещин.
Пороки древесины возникают при длительном и неправильном ее
хранении в весенне-летнее время года.
В летний период хранения лесоматериалы хвойных пород поражаются насекомыми и деревоокрашивающими грибами. Грибы - возбудители
заболонных гнилей встречаются реже. Из хвойных пород наименее стойкими против деревоокрашивающих грибов являются сосна, кедр, лиственница. Более устойчивы против них ель и, особенно, пихта сибирская.
Лиственные породы в летний период хранения поражаются не только деревоокрашивающими, но и дереворазрушающими грибами, возбудителями мраморных гнилей. Особенно неустойчива против побурения и заболонных гнилей древесина рассеяннососудистых пород (березы, бука,
ольхи, осины и др.) Кольцесосудистые породы (вяз, дуб, ильм, ясень) более стойки против грибных поражений. На складах насекомые поражают
древесину лиственных пород обычно меньше, чем хвойных.
23
Основные виды повреждений вызываются насекомыми (червоточина), грибами (окраска и гнили), физико-химическими процессами (окраска), растрескиванием от усушки (торцевые и боковые трещины). Влияние
каждого вида повреждений на качество древесины различно. Их количество определяется соответствующими стандартами на лесную продукцию.
Хранение и защита лесоматериалов на складе осуществляются с учетом
целевого назначения каждого вида сортимента, его использования в строительстве и промышленности.
Для защиты круглых лесоматериалов на складах применяют такие
способы, как атмосферная сушка, влагозащитные торцевые замазки, плотные и компактные укладки, дождевание, хранение в водных бассейнах,
химические способы.
Не требуется защищать древесину при хранении в условиях отрицательных температур.
Атмосферная сушка (сухое хранение). Данный способ защиты
применяется для сортиментов хвойных пород, предназначенных для использования без продольной распиловки (строительные бревна, столбы,
рудстойка, балансы). Для предотвращения поражения насекомыми и обеспечения быстрой просушки лесоматериалы окоряются.
При сухом хранении лесоматериалы укладываются в рядовые штабели на прокладках из здоровой древесины (жерди, тонкомерный кругляк
диаметром 8...12 см). Высота подштабельного основания должна быть не
менее 25 см.
Сухое хранение обеспечивает относительно быструю подсушку древесины до влажности 18...22 %, при которой процесс поражения грибами
исключается, но при этом часто образуются трещины усушки.
Среди хвойных пород деревьев наиболее подвержена растрескиванию лиственница, а среди лиственных – бук, ясень, дуб, граб.
Влагозащитные торцовые замазки. Для предохранения торцов
круглых лесоматериалов от потери влаги, растрескивания и проникновения грибной инфекции можно применять специальные замазки.
На торцы сортиментов или хлыстов замазки наносятся по завершении укладки поленницы или штабеля. Торцы лесоматериалов зимней заготовки обмазывают с наступлением теплой погоды (при 5 °С); лесоматериалы, заготовленные летом, должны быть обмазаны не позже чем через пять
дней после раскряжевки. Обмазка производится так, чтобы весь торец,
включая кору, был покрыт сплошной пленкой. Кроме того, торцы крайних
рядов штабелей должны быть затенены от солнечных лучей щитами или
забелены известковым раствором.
В качестве влагозащитных торцевых замазок используют битумы,
сухоперегонные уваренные смолы, битумные эмульсии, природные синте-
24
тические смолы и т.п. Сроки хранения сортиментов при защите торцевыми
замазками не должны превышать два-три весенне-летних месяца.
Представляют интерес испытанные временем пековая, смоляноизвестковая и смоляно-меловая замазки.
Плотные и компактные укладки. Плотная укладка на складах
осуществляется в крупногабаритных штабелях с оставлением узких интервалов (1...1,5 м) между смежными штабелями.
Штабели формируют без прокладок на низком подштабельном основании. Допускается укладка лесоматериалов хвойных пород в пачковые и
пачковорядовые штабели.
Короткомерные сортименты укладывают в плотные сомкнутые поленницы (без разрывов между ними), сгруппированные в крупномерные
штабели. Размеры плотных штабелей должны быть по высоте: для материалов из древесины хвойных пород – не ниже 3 м, лиственных – 2 м, по
длине – не менее 25 м. Штабели, расположенные в одной секции (группе),
должны быть одной высоты и длины.
Влажные способы (дождевание и водное) хранения. Эти способы
позволяют создать на лесных складах такую микроклиматическую среду,
при которой жизнедеятельность грибов и вредных лесных насекомых на
древесине становится настолько неблагоприятной, что их поселение и
развитие ограничиваются или совсем прекращаются из-за острого
недостатка кислорода. При этом в древесине поддерживается влажность
80...120 % и более.
При дождевании лесоматериалы, уложенные в плотные штабеля, опрыскивают сверху мелким искусственным дождем посредством дождевальной установки или поливают из шлангов.
Лесоматериалы подвергают дождеванию с наступлением устойчивой
теплой погоды (при температуре воздуха от 5 °С и выше). Первоначальное
дождевание должно промочить штабель до самого низа, в дальнейшем дождевание производится с учетом влажности и температуры окружающей
среды (примерно с апреля – мая по август – сентябрь).
Дождевание рекомендуется в первую очередь применять для нестойких к побурению лиственных пород (березы, бука, ольхи) и хвойных широкозаболонных (сосны, ели, кедра).
При хранении в воде древесину затопляют или оставляют на плаву в
многорядных штабелях. Этот способ наиболее эффективен для защиты
древесины от порчи. Недостатком хранения в воде является необходимость применять часть древесины в качестве надводного груза для погружения остальной части древесины (примерно до 30 %).
Древесина при хранении с ее полным затоплением может быть в коре и без коры; надводная часть должна быть неокоренной.
25
Надводная часть (для которой рекомендуется использовать древесину более низких качественных кондиций) может быть сохранена только
при плотной ее укладке и при поливке.
Химическая защита сортиментов. Защита осуществляется способом опрыскивания, производится на складах лесозаготовительного предприятия и потребителя. Склады должны быть удалены от водоемов,
имеющих питьевое, рыбохозяйственное и сельскохозяйственное значение,
не менее чем на 500 м от границы затопления (при максимальном стоянии
паводковых вод), а также не ближе 2 км от существующих берегов. Химическая защита круглых лесоматериалов, поступающих в сплав, запрещается.
Круглые лесоматериалы, заготовленные с апреля до середины августа, на верхних складах обрабатывают не позднее чем через двое суток, а
на складах лесозаготовительного предприятия и потребителя через трое
суток после укладки в штабель.
Опрыскивание круглых лесоматериалов осенне-зимней заготовки
проводят до весеннего лёта стволовых вредителей. Опрыскивание производится однократно, равномерно, без пропусков.
Для опрыскивания применяют гексахлорциклогексан технический,
гамма-изомер технический, 16%-ную минерально-масляную эмульсию
гамма-изомера.
При хранении пиломатериалов и заготовок предусматривают выполнение мероприятий, препятствующих растрескиванию, короблению и поражению грибами. В основном – это атмосферная сушка и поверхностное
опрыскивание водными растворами антисептиков.
Склады пиломатериалов целесообразно размещать на хорошо продуваемых, открытых и сухих местах. Площадь склада выравнивают, дренируют и поливают водным раствором хлората кальция для уничтожения
травы. На территории склада штабели размещают группами (секциями),
между которыми оставляют продольные и поперечные проезды шириной
8...12 м.
Для пиломатериалов хвойных пород каждую секцию составляют из
двух рядов штабелей, а для лиственных пород – из четырех. Между штабелями оставляются разрывы 1,5 м длиной и 2 м шириной.
Опоры подштабельного основания устраивают или на переносных
бетонных пирамидах, или на деревянных клетках размером 0,6х0,6 м. На
опоры укладывают прогоны из брусьев толщиной 10...12 см, высоту оснований делают 0,4...0,6 м.
В один штабель укладываются однородные по породе и размерам
пиломатериалы. Их укладывают горизонтальными рядами, со шпациями,
на прокладках – сухих деревянных рейках хвойных пород сечением 25х40
мм. Для пиломатериалов низких сортов в качестве прокладок могут быть
использованы доски, укладываемые для сушки.
26
Для защиты от атмосферных осадков и солнечных лучей штабель
покрывают односкатной крышей из двух рядов досок.
Для защиты торцов горизонтальных рядов досок от растрескивания
их укрывают вертикально расположенными досками.
Щепа может храниться в закрытых складах — бункерах, открытым
кучевым способом и в специальных контейнерах.
Бункеры — закрытые склады, применяемые для хранения сравнительно небольших объемов щепы с небольшим сроком хранения. Бункерная галерея состоит из нескольких бункеров, количество которых зависит
от объема отгружаемой щепы.
Контейнеры представляют собой многократно обратимую тару специального назначения, приспособленную для промежуточного хранения и
механизации погрузки, разгрузки транспортных средств.
Наиболее часто осуществляют кучевое хранение щепы. Однако щепа
складируемая в кучу, быстро изменяет свое качество. Материал начинает
разрушаться в результате микробиологических, физических и химических
процессов. В куче образуется тепло, которое ускоряет эти процессы. Разрушение щепы зависит от ее размеров, устройства склада и, особенно, от
влажности.
Выделение тепла происходит внутри кучи с испарением воды. Водяной пар поднимается к верхним слоям и при соприкосновении с более холодными слоями конденсируется.
При хранении очень влажной утрамбованной щепы тепловыделение
может быть настолько большим, что может привести к самовозгоранию.
Площадка для хранения щепы имеет твердое, покрытие – деревобетон, асфальтобетон. Для топливной щепы возможно основание кучи из коры или щепы. В этом случае размер площадки должен быть значительно
больше площади, занимаемой кучей.
Для предотвращения рассыпания щепы по периметру площадки устраивается сетчатое ограждение высотой до 2 м.
Выбор, планировка и содержание территории для хранения лесоматериалов. Для водного хранения выбирают водоемы, защищенные от
сильных ветров, ледохода и отсутствием сильных течений.
Для влажного хранения желательна территория, защищенная от ветра, с пониженной, но не заболоченной почвой. Если территория заболочена, подвержена затоплению в дождевые периоды, то почва должна быть
дренирована.
Для лучшего сохранения древесины штабели влажного хранения рекомендуется ориентировать перпендикулярно (а лесоматериалы – параллельно) направлению господствующих в летний период ветров.
27
Для хранения по сухому способу выбирают высокое место, открытое
ветрам. Штабели следует направлять по господствующим в летнее время
ветрам, а лесоматериалы – перпендикулярно им.
Чтобы торцы бревен не нагревались послеполуденным солнцем, не
рекомендуется ориентировать штабели с северо-запада на юго-восток.
На складах круглого леса следует соблюдать следующие условия.
1. Склад деловой древесины должен быть отделен от склада дровяной
и зараженной грибами древесины.
2. Почву склада не следует засыпать опилками, корой, щепой, кусковыми отходами. Если этого избежать нельзя, то поверх древесных
отходов нужно насыпать слой песка, земли, золы или шлака толщиной до 20 см.
3. Ежегодно перед поступлением древесины склад должен очищаться
от древесных отходов и старой древесины.
4. На складах, где производится разделка и окорка древесины, кору и
все остатки древесины от этих операций следует систематически
убирать с территории; сама разделка должна быть сосредоточена в
определенных местах и не разбросана по всему складу.
5. Те участки территории склада, на которых обнаружены очаги сильного развития грибов на древесном хламе, нужно после очистки поливать 5 %-ным водным раствором хлорной извести из расчета 5 л
раствора на 1 м2 почвы; немедленно после этого почву следует полить 5 %-ным водным раствором серной кислоты – 5 л раствора на 1
м2 почвы.
6. Все очаги грибной инфекции и насекомых на складе и вблизи склада
должны быть уничтожены, например, сухостойные деревья, валежник, свалки зараженной древесины т.п.
7. Не следует хранить на складе неокоренную древесину не более
одного года.
1.5. Вопросы для самопроверки
1. Какие типы лесопромышленных складов и их особенности вы
знаете?
2. Что представляет собой производственная структура технологического процесса прирельсового лесного склада?
3. Нарисуйте и поясните график режима работы прирельсового и берегового складов.
4. Резервные запасы лесоматериалов, их назначение, определение величины запасов.
5. Роль межоперационных запасов в обеспечении ритмичной работы
лесоскладского оборудования.
6. Назовите виды хранения лесоматериалов и конструкции штабелей.
28
7. Назовите способы защиты древесины при ее хранении.
Глава 2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЛЕСООБРАБАТЫВАЮЩИХ
ПРОИЗВОДСТВ И ПЕРЕМЕСТИТЕЛЬНЫХ ОПЕРАЦИЙ
2.1. Основные структурные элементы и особенности макростроения
древесины как механической системы
Конструктивные особенности дерева. Дерево – многолетнее растение, имеет выраженный ствол, несущий боковые ветви и имеющий верхушечный побег, крону и корни. Формируется ствол в виде конуса за счет
удлинения верхушечной части и ежегодного увеличения диаметра, происходящего в результате деятельности камбия – живой образовательной ткани. В стволе и в корнях происходит хранение питательных веществ.
Степень ветвистости, направление роста и вид ветвей (прижатые, отклоненные, повислые), а также их размеры определяют внешний вид дерева – габитус.
Сопряженный характер роста разных частей древесных растений определяет исключительное совершенство дерева в механическом отношении. Конструктивные особенности дерева зачастую превосходят многие
современные технические и строительные решения и достигаются простыми и экономичными средствами.
Высокая прочность дерева к механическим воздействиям обусловлена строением клеток: их формой и размерами стенок, наличием перегородок, прочностью соединения друг с другом, а также соотношением прироста в высоту и толщину, изменением годового прироста (размера годовых колец) и, наконец, величиной по высоте ствола.
Конструктивная приспособленность дерева морфологически выражается формой ствола, формой, протяженностью и поперечником кроны,
характером корневой системы и другими признаками.
Противодействие разных органов дерева нагрузкам сопряжено с различными видами деформаций. Ствол дерева, обладая радиальной симметрией, реагирует на сжатие, как колонна, а на продольный изгиб, как балка,
зажатая одним концом, ветви, корни, листья (прежде всего их черенки) –
на изгиб. Поэтому корни в поперечном сечении имеют разные формы: двутавр на торфяниках, досковидную – контрфорсы на опушках. Это предохраняет дерево от опрокидывания. У наклоненных деревьев нарушается
радиальная симметрия и наблюдается эксцентричность отложения годичных колец (креневая и тяговая древесина).
Крень увеличивает усушку, способствует растрескиванию, короблению, уменьшает водопоглощение и пропитку. Растущее дерево и его от29
мершие части могут служить для человека источником разнообразной информации: годичные кольца, пыльца и семена, древесина – в палеонтологии, дендрохронологии; признаки габитуса – для выбора места для жилья,
строительства ветряных мельниц.
На месте ранения у растений образуется ткань каллус,
восстанавливающая непрерывность камбия. По расположению годичных
колец, образованию каллуса определяют время оползней, осыпей, годы
лесных пожаров.
Электрическое поле земли и особенности внутреннего строения дерева определяют их биоэлектрические потенциалы. Наземная часть растения и внешние ткани ствола и ветвей дерева заряжены положительно, подземные и внутренние ткани – отрицательно. Дерево – естественный громоотвод и часто (особенно дуб, сосна, лиственница) поражается молниями.
Древесина – комплекс тканей образованных камбием, которые выполняют проводящие, механические и запасающие функции. На поперечном разрезе ствола у многих пород имеются части, отличающиеся по цвету: темно-коричневая, центральная часть (зона) – ядро и светлая, наружная
– заболонь. Эти зоны видны и на продольных разрезах ствола. В растущем
дереве заболонь является живой, а ядро – мертвой частью древесины, не
участвующей в физиологических процессах.
В раннем возрасте дерева древесина всех пород состоит только из
заболони, и лишь с течением времени происходят отмирание живых элементов древесины, закупорка водопроводящих путей и отложение экстрактивных веществ в центральной зоне. При этом у одних пород происходит
интенсивное изменение цвета указанной зоны древесины – она приобретает темную окраску, т.е. образуется ядро. Их называют ядровыми. Породы с
однородной окраской всей древесины принято называть безъядровыми.
Среди группы безъядровых пород есть такие, у которых центральная
часть (зона) в растущем дереве имеет меньшую влажность, чем периферийная. Центральную часть в этом случае называют спелой древесиной, а
породы – спелодревесными.
Породы, в которых центральная часть ствола ничем не отличается от
периферийной (ни по цвету, ни по содержанию влаги), называют заболонными.
Из отечественных хвойных пород к ядровым относят лиственницу,
сосну, кедр, можжевельник и тис; к безъядровым (спелодревесным) – ель,
пихту.
Из лиственных к ядровым относят дуб, ясень, вяз, ильм, грецкий
орех, иву, тополь и др.; к безъядровым – березу, ольху, бук, осину, граб,
клен, грушу и др.
Ширина заболони у разных пород различна и зависит от условий
произрастания, степени развитости деревьев и времени от начала образования ядра.
30
Ухудшение условий произрастания влечет за собой повышенное содержание заболони (например, у сосны). Ширина заболони непостоянна. С
возрастом доля площади сечения, занятой заболонью, уменьшается. На
поперечном разрезе ствола, на той стороне, которая несет более крупные
ветви, ширина заболони больше, чем у противоположной.
В ветвях происходит такой же процесс ядрообразования, как и в
стволе.
Некоторые особенности строения древесины. В связи с периодичностью действия камбия в умеренном климатическом поясе древесина отечественных пород имеет четко выраженное слоистое строение – на поперечном срезе годичные слои образуют концентрические окружности, у некоторых пород – волнистости. Годичные кольца особенно заметны у хвойных пород.
У деревьев, которые произрастают в тропической зоне, годичные
слои в древесине могут отсутствовать – слоистость годичного кольца этих
пород вызывается тем, что во время сухих периодов деятельность камбия
приостанавливается.
Ширина годичных колец в значительной степени зависит от породы,
возраста, условий произрастания, положения в стволе и колеблется от 1 мм
у самшита до 1 см и более у тополя и ивы.
По ширине годичных слоев и закономерностям чередования узких и
широких слоев можно проследить изменения климата, происходившие в
далеком прошлом. Дерево как бы фиксирует метеорологические события:
засухи и влажные периоды, сильные морозы зимой и ранние заморозки
весной, жару летом, циклы солнечной активности и даже космические катастрофы.
У многих пород на разрезах древесины четко выражены составные
части годичного кольца: внутренняя часть, расположенная ближе к
сердцевине, более светлая и менее твердая, чем наружная. По времени
образования в течение вегетативного периода внутреннюю часть называют
ранней древесиной, наружную – поздней. Различие в цвете ранней и
поздней древесины обеспечивает хорошую видимость годичных слоев у
большинства хвойных и некоторых лиственных пород.
По физико-механическим свойствам поздняя древесина лучше ранней: в 2,5 раза по плотности, и в 2,7…3,4 раза по прочности (на растяжение).
Особенности строения древесины хвойных пород. Хвойная древесина - это довольно упорядоченная структура, которая выполняет проводящую и механическую функции. Прозенхимные клетки с отмершим протопластом, - трахеиды, составляющие от 90 % и более объема древесины.
Живые паренхимные клетки выполняют запасающие функции.
Трахеиды представляют собой мертвые сильно вытянутые клетки с
заостренными концами, имеют форму сильно вытянутых волокон с одре31
весневшими стенками. Оболочки клеток имеют утолщенные и окаймленные поры.
Считают, что в процессе эволюции в ряде групп высших растений
возник новый тип проводящей системы - трахеи, или сосуды, которые образованы из множества члеников аналогичных трахеидам, но с целью
улучшения водопроводящей способности перфорированные на концах. На
поперечном разрезе форма трахеид близка к прямоугольной (иногда квадратной, пяти- или шестиугольной).
Размеры трахеид в тангенциальном направлении практически одинаковы у каждой породы, а в радиальном направлении размер трахеид в ранней зоне годичного слоя в 2–2,5 раза больше, чем в поздней зоне.
Особенности строения ранних и поздних трахеид состоит в том, что
в ранних трахеидах на радиальных стенках, особенно у концов, находится
множество (70...90) крупных окаймленных пор с округлыми отверстиями.
В поздних трахеидах поры имеются не только на радиальных, но и на тангенциальных стенках. Однако поры у них мелкие и обычно имеют щелевидные отверстия. Количество отверстий у сосны и ели в 3...4 раза, а у лиственницы в 11 раз меньше, чем у ранних трахеид. Диаметр окаймленных
пор в зависимости от породы составляет 8...31 нм, а диаметр отверстия от
4 до 8 нм. Поперек поры расположена тонкая перепонка - мембрана,
имеющая в центре непроницаемое утолщение – торус. В мембране вокруг
торуса имеются отверстия, способствующие продвижению жидкости из
трахеиды в трахеиду.
Наличие окаймленных пор на радиальных стенках ранних трахеид
облегчает водообмен между смежными элементами годичного слоя.
Известно, что в процессе старения древесины происходят сдвиг торуса и перекрытие сообщения между трахеидами. Это затрудняет проникновение жидкости в ранней древесине ядра (спелой древесины) растущих
деревьев, имеющих большее количество закрытых пор. Этим объясняют
пониженную проницаемость и водопоглощаемость ядровой и спелой древесины.
Особенности строения древесины лиственных пород. Древесина,
лиственных пород состоит из большего комплекта основных анатомических элементов по сравнению с хвойными породами: проводящие элементы - сосуды и сосудистые трахеиды; механические элементы – волокна
либриформа и волокнистые трахеиды; запасающие элементы – паренхимные клетки.
Сосуды - это специализированные водопроводящие анатомические
элементы, занимают от 10 до 55 % объема ствола. Они представляют собой
длинные вертикальные тонкостенные трубки, состоящие из члеников (ряда
коротких клеток с растворенными перегородками между ними). Нижние и
верхние стенки этих клеток частично или полностью разрушаются с
32
образованием простых (одно или два округлых отверстия) или лестничных
(ряд щелевидных отверстий) перфораций. Следовательно, сосуды не
имеют сквозных внутренних перегородок, препятствующих продвижению
жидкости.
Сосуды на стенках имеют (так же, как и трахеиды хвойных пород)
окаймленные поры, отличающиеся от пор хвойных пород меньшими размерами и отсутствием торуса. Между собой сосуды сообщаются через
окаймленные поры, а с примыкающими паренхимными клетками - через
полуокаймленные поры (окаймленные только со стороны сосуда).
В результате промежуточных и концевых контактов сосудов образуется единая пространственно-разветвленная водопроводящая система. В
этой системе сосуды, а иногда и трахеиды закупориваются выростами паренхимных клеток – тиллами. Эти мешковидные образования обычно закупоривают сосуды в процессе образования ядра, например, у акации,
грецкого ореха, дуба, ясеня и др. Однако тиллы могут появиться и в заболони вследствие различия давлений в паренхимных клетках и сосудах,
деятельности грибов и вирусной инфекции.
Сосудистые трахеиды – это элементы переходной формы между
типичными сосудами и трахеидами. По форме, размерам и расположению пор они напоминают членики сосудов. Этих элементов в стволе мало.
При исследовании древесной среды как многофазной и многокомпонентной системы со сложной пространственно-временной структурой
необходимо принять феноменологический подход, базирующийся на основных представлениях механики сплошных сред, статистической механики, теории неравновесных систем и теории информации.
Установлено, что материал древесины имеет четко выраженную
двухструктурную систему: капиллярную и поровую. Естественно, что создание идеально точных моделей невозможно, поэтому необходимо построение научно-практических моделей, несущих основную информацию
об исследуемых системах и процессах переноса вещества- энергии- информации в них.
2.2. Пористость древесины и моделирование ее структуры
Пористость любого материала определяется как отношение объема
пор ко всему объему рассматриваемого тела. Но это определение еще не
объясняет проницаемости среды. Имеются случаи, когда тела, обладающие
высокой пористостью (например, железо), характеризуются одновременно
нулевой проницаемостью. Поры в древесине в основном представляют собой замкнутые полости клеток, имеющих вид сильно вытянутых клеток
или капилляров, которые имеют определенную ориентацию.
33
Различают поры открытые, если они сообщаются между собой и
имеют выход на поверхность тела, и замкнутые, изолированные друг от
друга пустоты внутри тела.
Выделяют два уровня рассмотрения капилляров по размерам.
Согласно принятой в теплофизике классификации, капилляры, минимальный размер которых 2⋅10-7 м, относят к макрокапиллярам (их еще
можно видеть в световом микроскопе).
Микрокапиллярами называют пустоты меньших размеров и изучают
их на субмикроскопическом уровне, а макрокапилляры – на микроскопическом. К последним относят полости всех клеток и межклетников, за исключением крупных сосудов древесины лиственных пород (макропоры и
каверны).
Считают, что если размер древесного образца вдоль волокон меньше
длины полостей клеток (т.е. все клетки перерезаны), а их полости выходят
на поверхность, то система открыта. Если же размер образца превышает
длину клеток, то в этом случае открытая пористость в зонах, примыкающих к его поверхности, сочетается с замкнутой в оставшемся объеме образца.
В зависимости от уровня рассмотрения древесины полости клеток
могут быть замкнутыми или открытыми. Например, при рассмотрении
древесины на микроскопическом уровне, когда учитываются структуры
крупнее 2⋅10-7 м, полости клеток, находящиеся внутри древесины, не
имеющие выхода на поверхность, являются замкнутыми. В то же время на
субмикроскопическом уровне они оказываются открытыми, так как сообщаются между собой через отверстия в межклеточных порах.
Известны два понятия пористости при оценке древесины – объемная
и поверхностная. Под объемной пористостью Сv понимают объем пор в
процентах от общего объема абсолютно сухой древесины и ее определяют
по зависимости:

ρ 
С v = 1001 − 0  ,
ρ д .в . 

(2.1)
где ρ0 – плотность древесины в абсолютно-сухом состоянии, кг/м3; ρд.в –
плотность древесинного вещества, кг/м3.
Под поверхностной пористостью Сп понимают площадь пор в процентах от общей площади поверхности в рассматриваемом сечении.
На основании экспериментальных исследований установлена следующая зависимость между Сv и Сп:
C п = 1,46 ⋅ С v − 64,9
(2.2)
или C п = 146 ⋅ (1 − 0,649 ρ 0 ) −
34
100
ρ д .в .
(2.3)
Согласно классификации пор по размерам полости клеток в древесине разделяют на капиллярные и некапиллярные. Это определяется степенью влияния сил тяжести на мениск воды в капилляре: чем меньше диаметр поры, тем меньше сила тяжести искажает мениск. Исходя из этого,
капиллярными можно называть такие поры, влияние силы тяжести в которых на мениск не превышает 6 %. Если же степень влияния больше, то поры считают некапиллярными, а тело пористым. Необходимо иметь в виду,
что пренебрегают влиянием сил поверхностного натяжения, в результате
действия которых могут возникать капиллярные явления в указанных порах. Например, при радиусе пор 10-5 м, который считается границей капиллярных и некапиллярных пор, высота подъема жидкости составляет 1,5 м.
При содержании в теле как капиллярных, так и некапиллярных пор
это тело называют капиллярно-пористым. Исходя из этого, древесину лиственных пород можно отнести к капиллярно-пористым, так как в ней находятся сосуды с относительно большим радиусом пор. Древесина хвойных пород в этом отношении ближе к капиллярным телам. Учитывая, что
принятая терминология условна, древесину всех пород относят к капиллярно-пористым телам. При этом установлено, что для древесины можно
не учитывать влияние размеров образца или ориентации в нем клеток на
капиллярные явления.
Модели пористой структуры древесины. Древесина обладает
весьма сложной структурой, которой трудно дать математическое описание. Однако, появилась настоятельная необходимость в создании такой
модели, с помощью которой можно установить общие закономерности
взаимодействия древесины с водой в капиллярах.
Построение модели поровой структуры древесины начинают с моделирования формы пор. По анатомическому строению полости клеток в
древесине в поперечном сечении имеют у лиственных пород форму, близкую к кругу, а у хвойных к прямоугольнику. В связи с тем, что длина пор
на два порядка выше размеров ее поперечного сечения, длину во внимание
не принимают. Далее древесину представляют как совокупность прямых
параллельных друг другу одинаковых по размеру элементарных капилляров, вытянутых в аксиальном направлении. Это упрощенные модели, так
как они не учитывают широкого варьирования размеров полостей клеток у
хвойных и лиственных пород в пределах годичного кольца.
С целью учета этого фактора модель усложняют (рис. 2.1), приближая к реальной структуре древесины (рис. 2.2), при этом годичный слой
представляют состоящим из ранней и поздней древесины. Одним из условий моделирования пористой структуры древесины является равенство пористости модели и натуры.
Объемную пористость по рассмотренной модели (рис. 2.1) определяют по зависимости:
35
Сv =
(a − 2d )(b − 2d )
ab
,
(2.4)
где а – размер клеток в тангенциальном направлении (приняты одинаковые
размеры); b – размеры клеток в радиальном направлении (равный в каждом
слое); d – толщина стенок клеток (принята в радиальном и тангенциальном
направлениях).
а
б
Рис. 2.1. Упрощенные структурные модели древесины (поперечный разрез):
а – хвойные породы; б – лиственные породы
а
б
Рис. 2.1. Модели пористости древесины (поперечный разрез):
а – хвойные породы; б – лиственные породы
В связи с тем, что пористость рассмотренных моделей зависит как от
формы поры, так и от плотности укладки, установлены предельные значения плотности абсолютно сухой древесины ρ0, при которой еще можно
пользоваться рассматриваемой моделью.
Наиболее плотная укладка цилиндров получается, если форма клеток
представляет собой на поперечном разрезе вид правильного шестиугольника (см. рис. 2.1): Сv=0,908; ρ0=142 кг/м3.
Капиллярные модели. Под теоретической моделью капиллярнопористой структуры понимают воображаемое тело, состоящее из системы
36
гипотетических капилляров, эквивалентное в отношении тех или иных
свойств (гидродинамических, капиллярных и др.) исследуемому пористому телу. Так как геометрия порового пространства древесины отличается
исключительной сложностью и не поддается математическому описанию,
то для решения вопросов теории движения жидкостей и газов в пористой
среде создаются упрощенные модели.
Простейшая капиллярная модель представляет собой систему прямых параллельных капиллярных трубок одинаковой длины, равной длине
рассматриваемого тела в направлении потока движущейся через него жидкости.
Расход жидкости через образец, имеющий на единицу поперечного сечения п пор при описании течения жидкости уравнением Пуазейля будет равен
nSπr 4 ∆p
Q=
,
8µ ⋅ l
(2.5)
kS∆p
µ ⋅l ,
(2.6)
а закон Дарси
Q=
где: r - радиус капилляра; ∆p - разность давления на концах капилляра; S площадь поперечного сечения образца; n - число пор на единицу площади
поперечного сечения образца; µ - вязкость жидкости; l - длина капилляра;
k - коэффициент проницаемости.
Исходя из формулы (2.5) можно определить радиус капилляров
r=4
8µQl
π∆pnS .
(2.7)
Приближая рассматриваемую модель к реальной, введем коэффициент извилистости εи равный отношению l/l0 (где l - длина пути движения
жидкости; l0 - длина образца). Установлено, что большинство пористых
сред не может характеризоваться одним значением радиуса пор. Видимо, к
таким средам необходимо отнести и древесину. В аналогичных средах
Парселл, Бурдайн и Гендерсон предложили рассматривать пористые среды
как систему капилляров, радиусы которых образуют некоторую непрерывную (по Парселлу) или дискретную (по Бурдайну) статистическую совокупность, характеризующуюся функцией распределения φ (r).
В этом случае φ (r) − доля общего числа капилляров тела, радиусы
которых заключены между r и r+dr.
В случае, если ни одна модель не сможет учесть всех свойств реальной среды, к одному и тому же пористому телу применяют различные модели в зависимости от решаемой задачи.
37
При математическом описании структуры древесины удовлетворительные результаты дает модель, состоящая из системы продольных и поперечных капилляров различных радиусов, распределяемых в соответствии с функцией F(r).
Примеры распределения объемов пор в древесине по их радиусам
приведены на рис. 2.2 и 2.3.
б
а
Рис. 2.2. Изменчивость эквивалентного радиуса капилляра по диаметру
ствола лиственных пород: а – ясень; б - береза
а
б
Рис. 2.3. Изменчивость эквивалентного радиуса капилляра по диаметру ствола
хвойных пород: а – ядровые породы: 1, 2 – соответственно заболонь, ядро в среднем
сечении ствола сосны; б – спелодревесные породы: 1, 2, 3 - соответственно заболонь,
спелая древесины в среднем по сечению ствола пихты; 4, 5 – заболонь, ядро
лиственницы
38
2.3. Способы, основные направления обработки и переработки
древесного сырья
Древесина служит в народном хозяйстве исходным сырьем для производства более двадцати тысяч продуктов и изделий.
Способы обработки и переработки древесного сырья подразделяются
на три основные группы: механические, химико-механические и химические. При этом различна степень превращения древесины в конечный продукт. В одних технологических процессах она сохраняет свои исходные
физико-механические свойства, макро- и микроструктуру. Это происходит
при механических способах обработки.
В других технологических процессах древесная масса используется
как источник волокнистого сырья, в третьих – как химическое сырье.
Механическая обработка древесины заключается в изменении ее
форм пилением, строганием, фрезерованием, лущением, точением, сверлением, раскалыванием.
В результате механической обработки получают разнообразные товары народного потребления и промышленного назначения, продукцию и
сырье для смежных перерабатывающих отраслей промышленности. Механическим истиранием древесины получают волокнистые полуфабрикаты.
Химико-механический способ переработки заключается в получении
промежуточного продукта из древесины, однородного по размерам и составу механическим способом. Промежуточный продукт покрывают синтетическим связующим веществом.
Под действием температуры и давления происходит реакция полимеризации связующего промежуточный продукт прочно склеивается.
В качестве связующего может быть использован цемент и другие
вяжущие вещества.
Химико-механическим способом переработки получают фанеру,
столярные, древесностружечные и цементностружечные плиты, арболит и
фибролит.
Одно из направлений химико-механической переработки состоит в
получении модифицированной древесины. Наиболее простой способ
улучшения природных свойств древесины – увеличение ее плотности
прессованием, называют термомеханическим модифицированием (ГОСТ
24329-80).
Заготовки в виде брусков, досок, стержней или цилиндров уплотняют в пресс-формах под давлением до 70 МПа. Механическое воздействие
может сочетаться с нагревом, пропаркой, пропиткой древесины минеральными маслами или смолами, полимерами.
39
Химико-механическое модифицирование, осуществляется предварительной обработкой древесины аммиаком или мочевиной с последующим
прессованием.
Комбинированное воздействие: механическое, термическое и химическое вызывает изменение физических свойств и химического состава. В
результате чего повышается ее пластичность, и улучшаются условия прессования.
Полученные материалы обладают стабильностью формы и размеров,
высокими физико-механическими свойствами.
При химическом модифицировании прессование не требуется. Древесина обрабатывается ацетилирующими реагентами и затем подвергается
длительной термообработке.
При радиально-химическом модифицировании древесину вначале
подвергают пропитке низковязкими мономерами или олигомерами. Полимеризацию мономера в древесине проводят под воздействием гаммалучей. При этом материал представляет собой древесину пропитанную
пластмассой.
Химическая переработка древесины осуществляется термическим
разложением, воздействием на нее растворителей, щелочей, кислот, кислых солей сернистой кислоты.
Термическое разложение – пиролиз древесины, осуществляется нагреванием древесины при высокой температуре без доступа воздуха, при
этом получают твердые, жидкие и газообразные продукты. Из них наибольшее практическое значение имеет древесный уголь. С помощью растворителей из измельченной древесины (щепы) извлекают различные экстрактивные вещества. При экстракции водой получают дубители, а из лиственницы – камеди, клеящие свойства которой используются в полиграфической, текстильной и спичечной промышленности.
Путем экстракции бензином из пневого осмола получают канифоль.
Этот продукт используется при получении высококачественной бумаги, в
мыловарении, для производства лаков, линолеума, резины, электротехнических и других изделий.
При обработке хвойной древесины слабыми растворами щелочей,
без давления, из нее извлекают смолистые вещества и небольшое количество лигнина, гемицеллюлоз.
При длительном нагревании древесины под давлением с концентрированными растворами щелочи, взятыми в избытке, происходит ее полное
разложение. Продуктами разложения являются газы, смола, уксусная и
муравьиная кислоты.
При варке измельченной древесины с 5–15 %-ным водным раствором
едкого натра, часто с добавлением сернистого натрия, большая часть лиг-
40
нина растворяется и получается волокнистая целлюлоза – нитратная или
сульфатная.
Сульфатную целлюлозу получают при обработке древесины раствором кислых солей сернистой кислоты. В присутствии свободного сернистого ангидрида лигнин растворяется под действием давления и высокой
температуры, как и при нитратной варке получается целлюлоза.
Кислоты оказывают разрушающее гидролизующее действие на древесину, что лежит в основе гидролизного процесса производства глюкозы,
ксилита, спирта.
Гидролизом лиственной древесины, разбавленной кислотой или водой под давлением получают фурфурол.
2.4. Пьезотермическое формование товаров народного
потребления из древесной массы
В процессе деятельности лесозаготовительного предприятия неизбежно образуются древесные отходы в виде отдельных частей фитомассы
дерева: тонкомерная древесина, ветви, сухостойная древесина, корни, отрезки стволовой части и др.
Указанные отходы могли бы стать ценным вторичным сырьем для
глубокой переработки и получения товаров народного потребления.
В СПб ГЛТА им. С.М. Кирова на кафедре Технологии лесозаготовительных производств была разработана технология формования торцового
паркета из тонкомерной древесины, получены зависимости для расчета
определяющих параметров оборудования.
Сущность технологии заключается в том, что тонкомерная древесина, после окорки и разделки на отрезки определенной длины. Без предварительной сушки эти отрезки проталкиваются через специальное устройство (рис. 2.4), имеющее три характерных сечения: I – вход заготовки в конус (0<x≤x1) с круглым сечением; II – вход заготовки в конус – шестигранник (0<x≤l); III – выход из конуса (l<x≤l+x1).
Конус имеет круглое поперечное сечение только на первом участке.
На этом участке для усилия проталкивания Р можно записать следующее
выражение:
dP = dPn sin α + dPn f cos α ,
(2.8)
где: f – коэффициент трения; α – угол раствора конуса; Рп – усилие поперечного сжатия.
Согласно работам П.Н. Хухрянского и др. известно, что Р зависит в
основном от степени поперечного сжатия заготовки ε, характеризуемой зависимостью:
41
r32 − r12
ε=
,
r32
(2.9)
где: r1 и r3 – конечный и начальный размеры отрезков.
На втором этапе к силе Р, добавляется сила трения заготовки о стенки шестигранника. На третьем этапе, при большой длине заготовки, сила Р
становится столь большой, что толкающие стержни могут внедряться в заготовку и способствовать ее заклиниванию в конусе, препятствуя ее сжатию.
Рис. 2.4. Расчетная схема формования торцовой шашки:
1 – заготовка; 2 – конус; 3 - шестигранник
Для предотвращения заклинивания необходимо выполнение следующего условия:
P
< δH T ,
Sт
(2.10)
где: Sт – суммарная площадь толкающих стержней; δ – коэффициент пропорциональности; НТ – торцевая твердость заготовки.
В результате оценки степени влияния определяющих факторов выражение для Ртах в размерной форме примет вид:
Ртах = ϕ l , d , α , W ,υ , H p , K ф ,
(2.11)
(
)
42
где: l – длина заготовки, м; d – диаметр заготовки, м; α – характерный размер шестигранника, м; W – влажность древесины, %; υ – скорость проталкивания заготовки, м/с; Нр – торцовая твердость заготовки, кН/см2; Кф –
коэффициент фильтрации, м/с.
Рис. 2.5. Граница допустимых значений
43
l
для ольхи
a
Рис. 2.6. Кривая распределения случайной величины Рп
Согласно, теории размерности и подобия зависимость (2.11) представляется с учетом выражений:
d
const
=
S т = 1,5 3α 2
и
α
1− ε
в обобщенном (критериальном) виде
l
Ртах
υ 
= ϕ  ;W ; ε ;
.
(2.12)
d
Sт Н р
К ф 

Рис. 2.7. График для первичного отбора прессов
После статистической оценки модели и установления ее адекватности для практических расчетов рекомендовано уравнение вида:
Ртах
l
υ
= 0,189 − 0,027 − 0,096W − 0,741ε + 0,0004
+
α
Sш Н р
Кф
+ 0,312
l
α
ε + 0,690Wε + 1,212ε
2
(2.13)
Sm
= const ≈ 0,7 , можно получить уравнение верхней
Sш
границы допустимых значений для заготовки в виде:
НТ
υ
0
,
7
−
0
,
189
+
0
,
096
W
+
0
,
741
−
0
,
004
− 0,69Wε − 1,212ε
δ
ε
гр
Учитывая, что
Нр
Кф
l 
  =
0,312ε − 0,027
α 
Коэффициент δ определяется экспериментально.
44
(2.14)
НТ
, согласно проведенным исследоНр
Поскольку постоянная А = 0,7δ
ваниям, мало отличается, то верхние границы, также будут различаться мало.
Параметрами типоразмеров изделий являются а, dmin и dmax, которые
рассчитываются по следующим зависимостям:
a
=
d
π
6 3
(1 − ε ) .
(2.15)
Расчет производится по следующей последовательности:
max
1
d
d
max
2
= d
=d
max
max
a1 =
;
min
;
1
d 1min = 1,819
a2 =
a1
1 − ε min
1 − ε max d1max
1,819
1 − ε maz d 2max
1,819
d 2min = 1,819
;
;
;
a2
1 − ε min
;
При расчете рекомендуется принимать:
min
d
= 0,115 м
εmax=0,5; εmix=0,2; d min =0,045 м.
Длины заготовок должны определяться исходя из трех условий: они
должны быть одинаковыми, равными высоте кассеты в пределах каждого
типоразмера; должны удовлетворять условию:
max
max
гр
l l
≤ 
a  a ε =ε max ;
где ( )
l гр
–
a
граничное значение заготовки, которое должно получаться из
целого числа шашек высотой h. Из этих условий вытекает зависимость для
определения длины заготовок.

l
l =  целое max

h + δ пр


(h + δ пр ) − δ пр


(2.16)
гр
откуда
l max
l
= a 
,
 a ε =ε max
(2.17)
где δпр – толщина пропила.
Параметрами пресса являются сила давления ρпр. и размеры стола L,
В, а параметрами прессформы – рабочие размеры Lпр, Впр и расстояние между осями конуса Д.
Потребная величина ρпр определяется соотношением
45
n
ρ пр = ρ n = ∑ ρ i ,
(2.18)
i =1
где n – число одновременно проталкиваемых заготовок.
Учитывая, что ρn случайная величина построена кривая распределения ее
ρ=
ρn
nρ ε = ε
,
(2.19)
max
Используя кривую распределения можно определить силу ρn по
формуле:
ρ n = ρ n∗ ρ ε =ε
,
(2.20)
где : ρ n∗ величина ρ n , ожидаемая с вероятностью ρ*.
Подбор пресса производится в два этапа. Первичный отбор осуществляется с помощью графика ρ пр = f ( S пр ) , показанного на рис. 2.7, который построен в предположении, что L=Lпр, В=Впр, ρ пр = ρ n .
Для каждого отобранного пресса определяются :
- рабочие размеры прессформы
L
В
Lпр = (целое ) Д ; Впр = (целое ) Д ;
(2.21)
Д
Д
- число конусов в прессформе
Пк =
ьфч
Lпр ⋅ Впр
Де
;
(2.22)
- число заготовок, которое может протолкнуть данный пресс
nρ пр = целое
ρ пр
ρ n∗ ρ ε =ε
;
(2.23)
max
- показатель производительности (площадь панели Sn, которую можно изготовить из шашек, произведенных прессом за один цикл работы)
S nj = 1,5 3a 2j n j
l j + δ пр
n + δ пр
, j=1,2,3…….N.
Границы зависимости модели
Α=18°;
ϑ
кф
l
= 1,36......2,727 ; W=0,40…..1,05; ε= 0,2……0,5;
a
= 15,528.....170,807 .
46
(2.24)
Используя эту методику, были рассчитаны параметры и организованно серийное производство торцевого паркета на одном из заводов
Санкт-Петербурга.
2.5. Механическая обработка древесины
Теоретические основы резания. На лесопромышленных складах
существенное значение имеют работы по механической обработке древесины, т.е. работы, связанные с ее резанием. Эти работы выполняют режущим инструментом следующего назначения:
• для очистки деревьев от сучьев - ножи, фрезы;
• для поперечного деления хлыстов (раскряжевки) и долготья (разделки) – круглые или цепные пилы, ножи;
• для окорки шпал, круглых и колотых лесоматериалов - ножи, фрезы,
тупые коросниматели;
• для продольной распиловки (выпиловки шпал, пиломатериалов, тарных дощечек) - круглые, ленточные или рамные пилы;
• для раскалывания коротья; режущий инструмент - клин; для измельчения древесины при выработке щепы - ножи.
Теоретические основы механической обработки древесины называют
теорией резания. Задачами теории резания древесины являются определение усилий, возникающих при резании и потребной мощности на резание,
а также нахождение оптимальных параметров режущих инструментов,
дающих наибольшую производительность при наименьшей затрате энергии и требуемом качестве обрабатываемой поверхности.
Основные положения теории резания древесины были разработаны в
конце ХIХ и начале XX века русскими учеными И.А. Тиме, П.А. Афанасьевым, П.В. Денфером. Крупный вклад в науку о механической обработке
древесины внес видный советский ученый, профессор ЛТА, М.А. Дешевой, создавший собственную теорию резания древесины и выпустивший в
1934-1939 гг. капитальный труд, посвященный этому вопросу. Ценные работы в области теории резания древесины в последующие годы были выполнены в ЛТА Е.Г. Ивановским, в МЛТИ - С.А. Воскресенским, в БТИ А.Л. Бершадским, в ВНИИДмаше - П.С. Афанасьевым. К этой же категории относится работа, выполненная в США П. Кохом.
На лесопромышленных складах применяют резание древесины как с
образованием стружек (пиление, фрезерование, строгание), так и бесстружечное резание (резание ножами, раскалывание). В первом случае в процессе деления часть древесины измельчается в стружки (опилки), являющиеся в большинстве случаев отходами. Во втором случае измельчения
древесины не происходит, а осуществляется безотходное ее деление.
Принципы работы режущих инструментов, производящих каждый из этих
47
видов резания, существенно отличаются друг от друга и соответственно
различаются методы расчетов.
Резание элементарным резцом. Для деления древесины с образованием стружки применяют разнообразные режущие инструменты, основным
элементом которых является простой (элементарный) резец, представляющий собой стальной клин, ширина которого больше ширины обрабатываемого материала (рис. 2.8 а). Внедряясь в древесину, резец отделяет тонкую
стружку постоянной толщины. Резание таким резцом называется элементарным. Скорость движения резца называется скоростью резания υ. Основные элементы резца: 1-2 – лезвие (режущая кромка); 1-2-3-4 – передняя
грань (грудка); 1-2-5-6 – задняя грань (спинка); β – угол заострения (угол
заточки); α – задний угол (угол наклона); γ – угол резания. Между угловыми величинами, характеризующими резец, существует следующее соотношение γ=β+α. Основные элементы стружки: b – ширина; h – толщина.
Плоскость 7-8-9-10 называется плоскостью резания.
а
б
в
г
Рис. 2.8. Элементарное резание: а – продольное резание; б – поперечное резание;
в – резание в торец г – элементарный резец
Для внедрения резца в древесину и отделения от нее стружки к нему
должно быть приложено усилие Рр, называемое силой резания. Оно скла48
дывается из усилий: на перерезание древесины, деформацию стружки,
преодоление трения элементов стружки о резец, резца о древесину и т.д.
Ввиду сложности процессов, происходящих при резании, раздельное определение этих составляющих весьма затруднительно, поэтому обычно
при вычислении силы резания учитывают суммарно все перечисленные
сопротивления.
Различают три основных направления резания элементарным резцом
по отношению к волокнам древесины: продольное, поперечное и в торец
(рис. 2.8 б, в, г). При продольном резании резец движется в плоскости волокон параллельно их длине и стружка имеет форму тонкой ленты. При
поперечном резании резец движется в плоскости, перпендикулярно их
длине и стружка получается непрочной, ее элементы слабо связаны между
собой. При резании в торец резец движется в плоскости, перпендикулярной направлению волокон, перерезая их и стружка в этом случае чаще всего рассыпается на отдельные, не связанные между собой элементы.
Исследованиями установлено, что сила резания Рр (для срезания одной стружки простым резцом) возрастает с увеличением площади се поперечного сечения, следовательно, мощность резания зависит от объема древесины, превращенной в стружку в единицу времени, т.е. Рр=kbhи,
Np=kbhυ=kq.
На основании исследований принято считать, что потребная мощность на срезание стружек любым режущим инструментом (а не только
элементарным резцом), также возрастает с увеличением объема стружек,
срезаемых в единицу времени. Следовательно, при любом виде резания с
образованием стружек имеет место соотношение
N p = kq ,
(2.25)
где Np – мощность резания (на резцах), Вт; q – объем древесины, превращенной в стружку в единицу времени (секундный объем стружки), м3/с; k –
коэффициент пропорциональности, называемый в данном случае удельной
работой резания, Дж/м3.
В свою очередь Np=Рp υ,
и следовательно Р р = kq / υ ,
(2.26)
где Рр – сила резания, Н; υ – скорость резания, м/с. В этой формуле коэффициент пропорциональности k имеет размерность Н/м2 и носит название
удельная сила резания; его численное значение равно численному значению удельной работы резания, поэтому в дальнейшем различие между
этими величинами не делается.
На величину k (оказывает влияние ряд факторов: направление резания по отношению к волокнам древесины, твердость древесины, величина
угла резания γ, степень затупления резца, толщина срезаемой стружки и
др. Из рассматриваемых трех основных направлений резания наибольшую
49
величину k имеет при резании в торец. Оно в 2–2,5 раза превышает величину k для продольного и в 4–5 раз - для поперечного резания.
С увеличением твердости древесины (связанной с породой, влажностью, температурой и др.) и затуплением резца величина удельной работы
резания возрастает. Так же величина k возрастает при увеличении угла резания γ, влияние которого особенно существенно при резании в торец (при
γ>80° резание в торец вообще невозможно); при продольном и поперечном
резании влияние γ, на величину k сравнительно невелико и поперечное резание возможно даже при γ>90°.
С уменьшением толщины срезаемой стружки величина удельной работы резания k (т.е. работы, затрачиваемой на превращение в стружку единицы объема древесины) увеличивается; это объясняется тем, что, для того
чтобы разделить какой-либо объем древесины на мелкие частицы, требуется затратить больше работы, чем при делении на более крупные. Таким образом, с точки зрения уменьшения расхода энергии на резание при необходимости превратить в стружки определенный объем древесины, более выгодно срезать толстые стружки, помня, однако, что качество обрабатываемой поверхности при этом ухудшается.
Указанные зависимости удельной работы резания от перечисленных
факторов имеют место не только при элементарном резании, но и при работе любого режущего инструмента.
В оборудовании, применяемом на лесопромышленных складах, в основном используются следующие методы резания со снятием стружки:
пиление (при раскряжевке хлыстов, разделке долготья, выпиловке шпал,
пиломатериалов и др.), фрезерование (при окорке круглых лесоматериалов, шпал и др.) и строгание (при некоторых видах окорки).
Пиление. Пилением называют процесс разделения обрабатываемого
образца древесины на две или несколько частей при помощи повторного
движения резцов в данном сечении. Для этой цели применяют инструменты, имеющие несколько резцов и называемые пилами. Процесс пиления
значительно более сложен, чем процесс резания элементарным резцом.
Каждый зуб пилы имеет несколько режущих кромок (по существу несколько резцов), производящих резание в разных направлениях по отношению к волокнам древесины. Кроме того, при резании зубья пилы работают в закрытом пространстве, называемом пропилом, что создает специфические условия по сравнению с работой элементарного резца.
На лесопромышленных складах используют следующие виды пиления, отличающиеся направлением пропила по отношению к волокнам древесины:
• поперечное, при котором плоскость пропила перпендикулярна направлению волокон, этот вид пиления применяют при раскряжевке
50
хлыстов, разделке долготья, торцовке шпал и пиломатериалов и т.п. используют так называемые поперечные пилы;
• продольное, при котором плоскость пропила параллельна направлению волокон; этот вид пиления применяют при выпиловке шпал,
брусьев, досок, обрезке кромок у досок и т.п. - используют продольные пилы.
Поперечные пилы отличаются от продольных в основном формой
зубьев. Кроме того, пилы, применяемые на лесных складах, разделяют на
следующие виды:
• круглые – зубья расположены по окружности стального диска, непрерывно вращающегося в одном направлении, пилы такого вида
находят применение как при поперечной (рис. 2.9 а), так и при продольной распиловке (рис. 2.9 б);
• цепные – зубья расположены на звеньях непрерывно движущейся
цепи (рис. 2.9 в), применяют для поперечной распиловки;
• ленточные – зубья расположены на стальной ленте, непрерывно
движущейся в одном направлении (рис 2.9 г), применяют для продольной распиловки;
• прямые (рамные) – зубья расположены на стальной полосе, совершающей возвратно-поступательное движение (рис. 2.9 д), применяют для продольной распиловки на лесопильных рамах.
Мощность (на зубьях пилы) и силу резания определяют по формулам
(2.25) и (2.26). При поперечной и продольной распиловке объем древесины, превращаемый в опилки в течение одной секунды q, может быть определен, как произведение ширины пропила b на высоту пропила H и на скорость подачи u (рис. 2.9 а, б, в, г, д). Скоростью подачи u называют скорость с которой пила надвигается на древесину (см. рис.2.9 а, в) или древесина надвигается на пилу (рис. 2.9 б, г, д). Высотой пропила H называют
проекцию длины для пропила на плоскость, перпендикулярную направлению скорости подачи. Таким образом, для однопильных станков q=bHu и,
следовательно,
Np=kbHu;
(2.27)
Рр=kbHu/υ,
(2.28)
где Np – мощность пиления на зубьях пилы, Вт; Рр – сила резания, Н; k –
удельная работа резания (величина которой при пилении значительно
больше, чем при элементарном резании), Дж/м3 и b и Н в м; и в м/с; υ –
скорость резания, м/с.
Скоростью резания υ при пилении является скорость перемещения
зубьев пилы. Для круглых пил - это окружная скорость пильного диска;
для цепных, ленточных и рамных – линейная скорость цепи, ленты, рамной пилы. Угол между векторами скорости резания и скорости подачи называется кинематическим углом встречи θ.
51
в
а
б
г
д
ж
е
з
Рис. 2.9. Приемы механической обработки древесины: а – поперечное пиление круглой
пилой; б – продольное пиление круглой пилой; в - поперечное пиление цепной пилой;
г – продольное пиление ленточной пилой; д – продольное пиление рамной пилой;
е – фрезерование; ж - строгание; з – резание ножом в торец
52
Силой резания при пилении Рр называется усилие, действующее на
древесину со стороны зубьев пилы и совпадающее по направлению со скоростью резания. Со стороны древесины на пилу действует по величине такое же усилие (но направленное в обратную сторону), называемое силой
сопротивления резанию. Для круглых пил сила резания является окружным усилием.
Во время пиления возникает также сила отжима Р0, перпендикулярная силе резания и направленная от зубьев пилы в сторону распиливаемой
древесины. Со стороны древесины на пилу действует сила сопротивления
отжиму, равная по величине Р0, но направленная в обратную сторону. Величину силы отжима определяют по формуле:
Р0=α0Р,
(2.29)
где: α0 – коэффициент, зависящий от формы и степени затупления зубьев пилы.
При пилении имеют место кинематические соотношения, определяемые параметрами пилы и условиями ее работы. Рассмотрим это на
примере круглой пилы, производящей продольную распиловку (рис. 2.9.
б). Пила диаметром D, имеющая z зубьев шагом l, вращается с постоянной
угловой скоростью ω по направлению стрелки 1. Таким образом, скорость
резания υ постоянна. Распиливаемая заготовка, имеющая высоту пропила
Н, подается на пилу по направлению стрелки 2 постоянной скоростью подачи u. При пилении каждый зуб пилы по отношению к плоскости пропила
описывает свою траекторию, представляющую собой циклоиду. Расстояние uz,- между двумя любыми соседними траекториями, измеренное в направлении подачи (называемое подачей на один зуб), при постоянных υ и u
всюду одинаково. Толщина h стружки, срезаемой каждым зубом, измеряется по нормали к траектории движения зубьев; она увеличивается от
верхней поверхности распиливаемой заготовки к нижней и в среднем определяется h ≅ u z sin θ Для круглой пилы имеются следующие соотношения: u=uzzω(2π); υ=Dω:2, D=tz:π, из которых может быть получена формула, называемая основным уравнением кинематики пиления:
u:υ=uz:t
(2.30)
Формула (2.30), действительна не только для продольной распиловки
круглыми пилами, но и для других видов пил и способов пиления.
Числовые значения удельной работы резания k, коэффициента α0,
шага зубьев t, кинематического угла встречи θ и других величин, входящих в приведенные выше формулы, зависят от конкретных условий работы пил и поэтому будут рассмотрены ниже при изучении соответствующего оборудования.
Фрезерование. Фрезерованием называется снятие стружки ножами,
укрепленными на вращающемся барабане или ножевом диске. Стружка,
срезаемая при фрезеровании, имеет переменное поперечное сечение. На
53
лесопромышленных складах фрезерование применяют при оправке шпал
(окорке боковой поверхности шпалы) и окорке круглых и колотых лесоматериалов. На рис. 2.9 г показана оправка шпалы методом фрезерования
ножами, укрепленными на вращающемся барабане. Окружная скорость
ножей υ является в данном случае скоростью резания, а скоростью подачи
и – скорость поступательного движения шпалы или фрезы.
Мощность резания (на ножах) и силу резания определяют по общим
формулам (2.31) и (2.32). Объем стружек, снимаемый в одну секунду, в
данном случае составляет q=b0H0u и следовательно
Np=kb0H0u;
(2.31)
Pp=kb0H0u:υ;
(2.32)
где: Np – мощность резания (на ножах), Вт; Рр – сила резания, Н; k – удельная работа резания, Дж/м3; b0 – ширина окариваемой поверхности, м; Н0 –
толщина срезаемого слоя, м; u скорость подачи, м/с; υ – скорость резания, м/с.
В случае фрезерования, так же, как и при пилении, имеют место кинематические соотношения, определяемые формулой (2.30) однако в этом
случае под uz следует понимать подачу на один нож, а под t – шаг ножей.
Цифровые значения удельной работы резания и других величин, входящих
в приведенные формулы, зависят от конкретных условий фрезерования.
Строгание. Строганием называется обработка древесины ножами,
срезающим стружку постоянной толщины по ее длине, при этом либо обрабатываемая заготовка неподвижна, а ножи совершают возвратнопоступательное движение, либо ножи неподвижны, а прямолинейно передвигается лесоматериал. На лесных складах строгание применяется на некоторых типах окорочных станков.
Строгание неподвижными ножами представлено на рис. 2.9 ж.
Мощность (Вт) и силу резания (Н) определяют по формулам (2.33) и (2.34)
при этом q=zbhυ и следовательно
Np=kzbhυ;
(2.33)
Pp=kzbh,
(2.34)
3
где z – число ножен; k – удельная работа резания, Дж/м ; b – ширина
стружки, срезаемой одним ножом, м; Н – средняя толщина стружки, м; υ –
скорость резания, являющаяся одновременно и скоростью подачи, м/с.
Бесстружечное резание ножами. На лесопромышленных складах
бесстружечное резание ножами широко используют при очистке деревьев
от сучьев, а в перспективе, возможно, будут применять при раскряжевке
хлыстов и разделке долготья на коротье. Условно можно считать, что этот
вид резания имеет место также при измельчении древесины в щепу. Для
бесстружечного резания приведенные методы расчета мощности и силы
резания неприменимы. При этом способе резания (рис. 2.9 з) нож пред54
ставляет собой стальной клин, режущая кромка которого перерезает волокна древесины, а боковые грани раздвигают их. Нож врезается в древесину со скоростью резания υ (которая в данном случае является одновременно и скоростью подачи). Чаще всего при данном способе резания волокна перерезаются в торец, однако имеет место и торцово-продольное
резание (при срезании сучьев, имеющих угол врастания меньше 90°) и
торцово-продольно-поперечное (при измельчении лесоматериалов в щепу
на рубительных машинах).
Усилие на ноже (сила резания) Рр возрастает с увеличением высоты
реза Hp представляющей собой проекцию длины дна реза на плоскость,
перпендикулярную направлению скорости резания. Величины силы (Н) и
мощности резания (Вт) определяют по формулам:
Рр= kрНр;
(2.35)
Nр= kрНрυ,
(2.36)
где:kр – удельная сила резания, Н/м; Нр – высота реза, м; υ – скорость резания, м/с.
Величина удельной силы резания kр зависит от ряда факторов, в том
числе от вида (стволовая древесина, сучья) и породы перерезаемого материала, температуры, степени затупления ножа, толщины ножа, направления резания по отношению к волокнам древесины, а также и от высоты реза. Конкретные значения величин, входящих в формулы (2.35) и (2.36)
приведены в последующих главах при рассмотрении оборудования, в котором использован этот вид резания.
Раскалывание. Раскалывание круглых лесоматериалов применяют
на лесопромышленных складах при выработке колотых балансов, подготовке толстомерного коротья для подачи в рубительные машины, заготовке дров. При раскалывании клин внедряется в древесину вдоль волокон, не
перерезая их; под действием боковых граней клина в раскалываемой заготовке образуется щель и при дальнейшем движении клина его лезвие уже
не соприкасается с древесиной. Методы расчета усилия на клине и мощности, необходимой для раскалывания, будут приведены далее.
2.6. Переместительные операции на лесопромышленных складах
Наряду с механической обработкой древесины на лесопромышленных складах производятся многочисленные переместительные операции.
К ним относятся погрузочно-разгрузочные и штабелевочные работы, сортировка лесоматериалов, подача лесоматериалов в перерабатывающие цеха, внутрискладские перевозки и др.
К переместительным операциям относятся также продольное перемещение хлыста в раскряжевочной установке, подача на пилы, распили-
55
ваемых лесоматериалов в шпалорезных и лесопильных рамах, продольное
перемещение долготья в роторных окорочных станках и т.п.
Конструкции и методы расчета общих типов подъемнотранспортного оборудования применительно к предприятиям лесной промышленности подробно рассмотрены в работах, выполненных в МЛТИ
Б.А. Таубером и других работах.
На лесных складах применяется подъемно-транспортное оборудование, которое может быть разделено на три группы: машины и установки
периодического действия; машины непрерывного действия; оборудование
рельсового и безрельсового внутрискладского транспорта.
У машин периодического действия тяговое устройство совершает
поступательно-возвратное реверсивное движение. Загрузка и разгрузка
производятся порциями (пачками, пакетами, штуками) во время остановки
тягового или захватного устройства. После каждой загрузки тяговое устройство меняет направление движения, т.е. имеются явно выраженные рабочие и холостые ходы. К машинам этой категории относят краны различных типов, манипуляторы, канатно-блочные установки и др.
Машины непрерывного действия имеют тяговое устройство, непрерывно движущееся в одном направлении. Их загрузка и разгрузка производятся обычно на ходу. Холостых ходов у этих машин нет. К данной
группе относят продольные и поперечные лесотранспортеры различных
типов. Сюда же можно отнести пневмо- и гидротранспортные установки.
К оборудованию рельсового и безрельсового внутрискладского
транспорта относят машины, перемещающиеся вместе с транспортируемым грузом (колесные лесоразгрузчики, авто - и электропогрузчики, автолесовозы, пучковозы, вагонетки и др.).
Методы расчета тяговых усилий и потребных мощностей для каждого из перечисленных видов машин различны и зависят от конкретных условий работы.
2.7. Производительность оборудования
Одним из основных показателей работы любой подъемнотранспортной или технологической машины (установки) и поточной линии
является ее производительность, т.е. количество перемещаемых грузов или
обработанного сырья (или полуфабрикатов) в единицу времени (секунду,
минуту, час, смену и т.п.). Соответственно различают секундную, минутную, часовую, сменную производительности. Машины (установки) и линии, работающие на лесных складах, чаще всего характеризуют часовой и
сменной производительностью. Учет перемещенных грузов или обработанного сырья (полуфабрикатов) в зависимости от их видов обычно ведут
в количественной (в штуках деревьев, хлыстов, сортиментов, пачек и т.д.)
56
или объемной мере (в м3). Для оборудования, производящего первичную
обработку или переработку лесоматериалов, различают производительности по сырью и по готовой продукции.
Каждая машина или установка может работать на лесном складе как
автономно (т.е. независимо от другого оборудования), так и в составе поточной линии.
Производительность автономно работающих машин и установок. Методы, расчета производительности машин (установок) различны.
Для машин или установок периодического (цикличного) действия, работающих на лесных складах автономно, штучную часовую производительность П чш (шт/ч) и объемную часовую производительность Пч (м3/ч)
определяют по формулам:
П ч = 3600ϕ 1 :Тц;
(2.37)
П ч = 3600ϕ1V :Тц,
(2.38)
где: Тц - продолжительность цикла, с; φ1 - коэффициент использования
рабочего времени; 3600 - число секунд в 1 ч; V - объем единицы перемещаемых или обрабатываемых деревьев, хлыстов, сортиментов, пачек и
т.п., м3.
Продолжительность цикла есть время, затрачиваемое на перемещение единицы груза или обработки единицы сырья или полуфабриката
(включая холостые ходы, время на захват груза, подачу команд оператором и т.п.). Она зависит от назначения и конкретных условий работы
машины или установки и состоит из суммы времен, затрачиваемых на
выполнение отдельных элементов операции.
Для машин и установок непрерывного действия штучную и объемную часовые производительности определяют по формулам:
3600ϕ1ϕ 2υ
П чш =
;
(2.39)
е
3600ϕ1ϕ 2υV
П ч0 =
,
(2.40)
е
где: υ и l – соответственно скорость, м/с, и длина, м, единицы перемещаемого груза или обрабатываемого сырья (полуфабриката); φ2 – коэффициент
загрузки машины (установки).
Коэффициент φ2 характеризует заполнение тягового органа при продольном перемещении штучных грузов или обрабатываемых единиц сырья
(полуфабрикатов) может быть выражен φ2=l:(l+l0), где l0 величина межторцового разрыва, м. В этом случае формулы (2.40) примут вид:
3600ϕ1υ
П чш =
;
(2.41)
l + l0
ш
0
57
3600ϕ1ϕ 2υV
.
(2.42)
l + l0
Если перемещение лесоматериалов в процессе их транспортирования
или обработки производится при помощи толкателей (крючьев), то l это их
шаг, м, а коэффициент φ2 ,характеризующий их использование, определяют φ2=i0:it, где i0 - общее число толкателей, прошедших в единицу времени; it – из них число использованных (загруженных) толкателей. При поперечном перемещении лесоматериалов тяговым устройством, не имеющим
толкателей, в формулах (2.41 и 2.42) под l следует понимать средний шаг
размещения грузов или единиц сырья (полуфабрикатов) на тяговом устройстве.
Объем перемещаемых или обрабатываемых пачек V является величиной сравнительно определенной, так как он в основном зависит от грузоподъемности, объема бункера и других параметров, характеризующих
машину или установку. Так, объем перемещаемой пачки V (м3) в зависимости от грузоподъемности машины Q (кг) может быть определен по формуле V=φ3Q:γ, где γ – масса 1 м3 древесины кг/м3; φ3 – коэффициент использования грузоподъемности.
Сложнее определение объема и длины хлыста или сортимента, входящих в расчетные формулы. Хлысты и сортименты очень разнообразны
по размерам, поступают в машину или установку в неизвестной заранее
последовательности, поэтому их параметры (объем, длина, диаметр) являются величинами случайными, характеризуемыми кривыми плотности
распределения. В расчетные формулы подставляют средние значения этих
величин и одновременно оценивают вероятность их появления. Средние
значения могут быть определены проведением соответствующих статистических исследований, причем при неограниченно большом числе наблюдений средняя величина приближается к математическому ожиданию.
Средние объем и длина хлыста или сортимента могут быть определены,
как суммарные объемы и длины хлыстов (сортиментов), поступавших в
течение некоторого времени, деленные на их количество. Средний диаметр
хлыста на расстоянии 1,3 м от комля или сортимента в верхнем торце определяют по ГОСТовским таблицам в зависимости от среднего объема и
средней длины. Величины предельных (максимальных и минимальных)
значений рассматриваемых параметров хлыста или сортимента находятся
обычно в пределах ±3σ от их среднего значения, где σ – среднеквадратичное отклонение случайной величины.
Сменную производительность оборудования, применяемого на лесных складах Псм (м3/смену или шт/смену), определяют по формуле:
Псм=ПчТсмφсм,
(2.43)
П ч0 =
58
где: Пч – часовая производительность, м3/ч или шт./ч; Тсм – продолжительность смены, ч; φсм – коэффициент использования рабочей смены, учитывающий в основном время, расходуемое на подготовительнозаключительные операции.
Эта формула может быть представлена и в другом виде:
Псм=Пч(Тсм-tпз),
(2.44)
где: tпз – время, затрачиваемое на подготовительно-заключительные операции в течение смены.
Производительность поточных линий. Для выработки готовой
продукции или полуфабрикатов на лесопромышленном складе необходимо
осуществлять несколько технологических операций, выполняемых обычно
различными машинами и установками, формируемыми в поточные линии.
Поточные линии делят на три класса: последовательного, параллельного и смешанного агрегатирования. Линии последовательного агрегатирования (рис. 2.10 а) состоят из машин и установок, расположенных в технологической последовательности. Производительности всех установок,
входящих в линию этого класса, должны быть равны между собой. Линии
параллельного агрегатирования (рис. 2.10 а) представляют собой систему
поточных линий последовательного агрегатирования, расположенных параллельно друг другу и выполняющих одинаковые технологические операции. Линии смешанного агрегатирования (рис. 2.7, в) состоят из цепочки
последовательно соединенных установок, передающих заготовки на установки, расположенные параллельно другу другу; возможны и обратные
случаи – передача заготовок с нескольких параллельно расположенных установок на одну цепочку установок, соединенных между собой последовательно. В этих линиях производительность последовательно соединененных установок должна равняться сумме производительностей установок,
соединенных параллельно.
Довольно часто находят применение поточные линии с разветвлениями (рис. 2.10, г). В этом случае на одной технологической установке
(например, второй) в результате обработки получаются два или более видов полуфабрикатов, каждый из которых подвергается дальнейшей обработке на своей ветви поточной линии, выпускающей свой вид готовой
продукции. Иногда одна из ветвей такой линии обрабатывает основную
долю всех проходящих через нее заготовок и выпускает основную продукцию, а через вторую ветвь проходит лишь незначительная часть заготовок
и получающаяся продукция не является основной. Линии такого типа называют поточными линиями последовательного или смешанного агрегатирования с ответвлениями. Практически ответвления используют для переработки отходов, получающихся при выполнении основных технологических операций. Линии параллельного и смешанного агрегатирования могут
иметь взаимосвязанную структуру (рис. 2.10. д). Здесь заготовки от каждой
59
технологических установки могут быть переданы в зависимости от обстоятельств на любую из установок, выполняющих следующую технологическую операцию.
а
б
в
г
д
е
ж
и
з
Рис. 2.10. Классы поточных линий:
60
а – линия с жесткой связью последовательного агрегатирования; б – то же параллельного агрегатирования; в – то же смешанного агрегатирования; г – то же с разветвлением; д – линия с взаимосвязанной структурой; е – линия последовательного агрегатирования с гибкой связью; ж – то же со связью смешанного типа; з – то же с жесткогибкой связью и буферным магазином проходного типа; и – то же с тупиковым буферным магазином
Отдельные установки, входящие в поточную линию, связаны между
собой жесткой или гибкой связью. При жесткой связи заготовка непосредственно передается с одной установки на другую, смежную с ней, при этом
ритм работы обеих установок должен быть одинаковым. На лесных складах жесткая связь между отдельными установками наряду с непосредственной передачей заготовок осуществляется при помощи продольных и
поперечных лесотранспортеров.
Гибкая связь, предусматривающая в среднем равную производительность установок, последовательно расположенных в линии, допускает разный ритм их работы; в течение некоторого времени установка«поставщик» может давать несколько большую производительность, чем
установка-«потребитель»; в следующий период времени соотношение их
производительностей изменяется. При гибкой связи возможны даже кратковременные остановки одной или нескольких установок, входящих в линию, без нарушения нормальной работы остальных установок этой же линии. В качестве гибкой связи в поточных линиях на лесных складах применяют буферные площадки и магазины, содержащие межоперационный
запас заготовок (рис. 2.10, е). Применяются также поточные линии, имеющие связь смешанного типа: одни установки связаны между собой гибкой
связью, другие имеют жесткую связь (рис. 2.10, ж). Целесообразно применять поточные линии с жестко-гибкой связью технологических установок
(рис. 2.10, з, и).
В этом случае смежные установки соединяются между собой как жесткой связью, так и буферным магазином. В основном заготовки от установки-«поставщика» передаются непосредственно на установку«потребитель». Буферный же магазин, называемый в этом случае проходным (рис. 2.10, з) или тупиковым (рис. 2.10, и), вступает в действие только
тогда, когда ритм работы смежных технологических установок нарушается
или одна из них временно останавливается.
При переходе от расчета производительности отдельных машин установок, работающих автономно, к расчету производительности поточной
линии нужно учитывать взаимозависимость всех установок, входящих в
линию.
Сменная производительности поточной линии последовательного
агретатирования Псм (м3/смену) в общем виде может быть определена по
формуле:
61
П см л = П смmin ϕ л ,
(2.45)
где: П смmin – расчетная сменная производительности наименее производительной установки, входящей в состав поточной линии, определяемая по
формуле (2.44), м3/смену;φл – коэффициент, учитывающий взаимное влияние отдельных установок, входящих в линию и зависящий от их числа, характера связи между ними (с учетом вместимости буферных магазинов), а
также от величины коэффициента их надежности φн , который связан с коэффициентом использования рабочего времени φ1, входящим в формулы
(2.37), (2.38) и (2.39), (2.40). Эту связь можно выразить зависимостью
φ1=φп+φн, где φп – коэффициент, учитывающий потери времени в связи с
организационными и некоторыми другими причинами (φп=0,85÷0,95); φн –
коэффициент надежности учитывающий мелкие неисправности в работе
установки (отказы). Этот коэффициент зависит от количества и надежности отдельных элементов (рабочих, вспомогательных, управляющих), составляющих данную установку.
Поточная линия последовательного агрегатирования, состоящая из
установок, соединенных жесткой связью, работает только тогда, когда работают все входящие в нее установки. Остановка любой из них ведет к остановке всей линии, поэтому в данном случае
(ϕ н + ϕ н2 + ϕ н3 .........ϕ нn )
ϕл = 1
,
(2.46)
ϕн
n
где ϕ нmin – коэффициент надежности наименее производительной установки, входящей в поточную линию; ϕ н1 ,ϕ н2 ,ϕ н3 ......ϕ нn – коэффициенты
надежности отдельных установок, входящих в состав этой линии (в том
числе и наименее производительной установки).
n −1
Для линий с жесткой связью, если ϕ н1 = ϕ н2 = ϕ н3 ....... = ϕ нn = ϕ н , то
φл=φнn-1 ϕ н1 ,ϕ н2 ,ϕ н3 ......ϕ нn . Сменная производительность такой линии составит
П смл = П смmin ϕ нn−1 .
(2.47)
У линии с гибкой связью при неограниченной или весьма большой
вместимости буферных магазинов обеспечивается независимая работа
входящих в линию отдельных установок, поэтому в данном случае φл=1 и
следовательно
П смл = Псмmin .
(2.48)
Практически межоперационные запасы располагаются на буферных
магазинах или площадках ограниченной вместимости, поэтому остановки
поточной линии могут происходить не только вследствие отказов входящих в нее установок, но и в связи с переполнением или опорожнением бу62
n−1
ферных магазинов (или площадок). Для таких линии 1>φл> ϕ н . Например,
при п=3 коэффициент φл для линии с ограниченной вместимостью буферных магазинов определяют по формуле:
2
1
ϕ л = ϕ н2 + (2 р л + р л2 )ϕ н (1 − ϕ н ) + (2 р л + р л2 )(1 − ϕ н )2 ,
(2.49)
3
3
где: рл – вероятность того, что не произойдет переполнения или полного
опорожнения буферного магазина.
На величину φл также оказывает влияние коэффициент надежности
буферного магазина как механизма ϕ нб . Для того чтобы снизить влияние,
этого коэффициента на производительность поточной линии, можно использовав жестко-гибкую связь технологических установок (рис. 2.10, з, и).
В линии, состоящей из нескольких автономно работающих технологических установок, последовательные операции выполняются независимо
друг от друга; межоперационные запасы при этом хранятся в штабелях и
имеют практически неограниченные размеры, а их создание и передача заготовок (или их пачек) от одной технологической установки к другой производится кранами или автопогрузчиками. В этом случае понятие «сменная производительность поточной линии» теряет смысл, так как отдельные
технологические установки могут за смену выпускать различное количество полуфабрикатов. В целом же по складу эта неравномерность компенсируется в течение недели или месяца различным числом смен работы отдельных установок.
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
2.8. Вопросы для самопроверки
Назовите конструктивные особенности дерева как механической
системы.
Назовите основные особенности строения древесины как капиллярно-пористой системы.
Назовите особенности процессов переноса в механике древесной
среды.
Назовите способы обработки и переработки древесного сырья.
Назовите особенности и преимущества пьезотермической обработки
древесной массы и возможности производства товаров народного
потребления.
Перечислите задачи теории резания древесины. От каких параметров
зависит усилие и мощность при резании.
Назовите виды механической переработки древесины.
Назовите виды переместительных операций на лесопромышленных
складах.
Как рассчитывается производительность машин и установок работающих автономно.
63
10.Опишите виды компоновки поточных линий.
11.В чем особенность расчета производительности поточных линий.
64