На правах рукописи Воронин Иван Андреевич НЕТРАДИЦИОННЫЙ СПОСОБ ОБРАБОТКИ ВОЛОКНИСТЫХ

На правах рукописи
Воронин Иван Андреевич
НЕТРАДИЦИОННЫЙ СПОСОБ ОБРАБОТКИ ВОЛОКНИСТЫХ
СУСПЕНЗИЙ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ИНЕРЦИОННЫХ ТЕЛ В
ЦЕЛЛЮЛОЗНО-БУМАЖНОМ ПРОИЗВОДСТВЕ
05.21.03 – Технология и оборудование химической переработки
биомассы дерева; химия древесины
Автореферат диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Красноярск - 2011
2
Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Сибирский государственный технологический университет» на кафедре «Машины и аппараты промышленных технологий», г. Красноярск.
Научный руководитель:
доктор технических наук, профессор
заслуженный работник высшей школы РФ
Алашкевич Юрий Давыдович
Официальные оппоненты:
доктор технических наук, профессор
Руденко Анатолий Павлович
кандидат технических наук, доцент
Агеев Максим Аркадьевич
Ведущая организация: Институт химии и химической технологии СО РАН
Защита диссертации состоится «22» декабря 2011 г. в 16 часов на заседании диссертационного совета Д 212.253.01 ФГБОУ ВПО «Сибирский
государственный технологический университет»
Отзывы (в двух экземплярах) с заверенными подписями просим
направлять ученому секретарю диссертационного совета по адресу:
660049, г. Красноярск, проспект Мира, 82.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Сибирский государственный технологический университет»
Автореферат разослан «18» ноября 2011 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета
Исаева Е.В.
3
Общая характеристика работы
Актуальность исследования. В настоящее время для размола волокнистой суспензии в основном используются традиционные ножевые машины, в которых неизбежна рубка волокна, что сказывается на прочностных показателях готовой продукции при обработке полуфабрикатов из
хвойных и особенно лиственных пород древесины. Кроме того, существуют противоречия среди исследователей во взглядах на механизм ножевого
размола. Если одни считают решающим силовое воздействие на волокно,
то другие указывают на значительное влияние гидродинамических факторов на процесс размола.
Таким образом, для решения проблемы повышения качества обработки волокнистой суспензии и снижения энергозатрат, представляет интерес изучение нетрадиционных способов обработки волокнистой массы, а
именно инерционного воздействия на волокно при размоле.
При изучении механизма воздействия на волокно в аппаратах с инерционным движением рабочих тел в работах исследователей не изучен или
мало изучен ряд факторов, влияющих на интенсивность обработки: скорость вращения инерционных тел, концентрация волокнистой массы, геометрия размольных тел. Не найдены оптимальные параметры работы аппаратов данного типа, которые должны привести к значительному снижению энергозатрат на размол. Варьируя этими параметрами, можно значительно улучшить работу установки. При анализе факторов, влияющих на
разработку волокна в установке, можно предположить, что определяющим
является фактор геометрия размольных тел, а так же силы, действующие
на волокно со стороны рабочих органов. К сожалению, до настоящего времени не в полной мере изучены процессы, протекающие в зоне размола
установки при контакте поверхности инерционного тела с поверхностью
барабана, не выяснены конструктивные и технологические особенности
размольной установки. Иначе говоря, до настоящего времени не в полной
мере изучен механизм инерционного воздействия на волокно со стороны
рабочих органов.
Цели и задачи исследований. Совершенствование процесса размола
волокнистых материалов с использованием инерционных тел с учетом
конструктивных, технологических и энергосиловых параметров работы
установки.
Для достижения цели нужно решить следующие задачи:
– выявить влияние силового характера воздействия на волокнистый
материал рабочих органов установки с инерционными телами;
– определить основные технологические параметры процесса размола в
размольной установке;
– разработать математическую модель процесса размола в размольной
установке;
4
– определить влияние на процесс размола следующих факторов: концентрации волокнистой суспензии; скорости вращения инерционных тел;
углов установки ножей инерционного тела;
– определить зависимость бумагообразующих свойств обрабатываемой волокнистой массы и качественных характеристик готовых отливок от
технологических, конструктивных и энергосиловых параметров размольной установки;
– обеспечить оптимальные условия процесса размола установки с
инерционными телами.
Научная новизна работы. Изучен механизм воздействия инерционных тел на волокнистый материал. Рассчитано силовое воздействие на волокно рабочих органов в размольной установке с инерционным движением
рабочих тел: определено усилие, приходящееся в месте контакта инерционного тела с внутренней поверхностью барабана; определены касательные силы сдвига при контакте ножей инерционного тела с ножами барабана.
Теоретически обосновано влияние углов скрещивания ножей инерционного тела и барабана на качество разработки волокна при размоле на
установке с инерционным движением рабочих тел.
Впервые определены основные технологические параметры процесса
размола в размольной установке с инерционным движением рабочих тел,
такие как циклическая элементарная длина и секундная режущая длина.
Разработана математическая модель процесса размола в установке с
инерционным движением рабочих тел.
Практическая значимость.
Результаты исследования механизма размола в установке с инерционным движением рабочих тел позволяют:
– при известных значениях конструктивных и технологических параметров размольной установки прогнозировать определение физикомеханических показателей готовой продукции;
– варьируя технологическими и конструктивными параметрами размольной установки, получать готовую продукцию с необходимыми характеристиками, уменьшая при этом удельный расход электроэнергии, что, в
конечном итоге, повлияет на себестоимость продукции.
Апробация работы: Основные результаты исследований докладывались и обсуждались на конференциях: «Лесной и химический комплексы –
проблемы и решения» (Красноярск, 2008-2011), «Молодые учёные в решении актуальных проблем науки» (Красноярск, 2009-2011), «Новые достижения в химии и химической технологии растительного сырья» (Барнаул,
2009), «Актуальные проблемы современной науки» (Самара, 2010), общегородской ассамблее «Красноярск. Технологии будущего»; международной специализированной выставке «Технодрев. Сибирь-2011. Лесное хозяйство. Мебельные технологии и фурнитура».
5
Публикации. По результатам исследований опубликовано 15 работ, в
том числе 3 статьи в журналах перечня ВАК, патент на изобретение Российской Федерации.
Объем и структура работы: Диссертация состоит из введения, аналитического обзора, теоретической и экспериментальной частей, практической реализации, выводов, библиографии, состоящей из 111 наименований. Работа изложена на 156 страницах, содержит 9 таблиц и 61 рисунок.
Основное содержание работы
Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы.
В аналитическом обзоре произведен анализ теоретических и экспериментальных исследований в области процесса размола волокнистых материалов нетрадиционным способом. Рассмотрены механизмы воздействия
рабочих тел на волокнистый материал различных размольных установках.
Рассмотрены влияния основных технологических факторов процесса размола волокнистых материалов в размалывающих машинах на качество помола.
Анализ литературных источников позволил сформулировать цель и
основные задачи исследования.
В теоретической части Целью теоретических исследований явилось
выявление механизма воздействия рабочих органов установки на растительные волокна при их размоле.
Для чего необходимо было решить следующие задачи:
– выявить и оценить распределение сил воздействия на волокно в рабочих органах установки в процессе размола;
– провести теоретическую оценку усилий приходящихся на один нож
при его контакте с внутренней поверхностью барабана в процессе размола;
– уточнить качественные и количественные зависимости основных
технологических параметров процесса размола;
– разработать математические модели процесса размола в установке с
инерционным движением рабочих тел.
Воздействие на волокно инерционных тел за счет сил инерции (рисунок 1). Условие разрушения волокна, то есть одноосное сжатие поперек
волокон может быть записано в следующем виде
J > Tтр.
(1)
Сила инерции J, Н определяется по формуле
J = m·ω2· R,
(2)
где m – масса инерционного тела, кг;
ω – угловая скорость, с-1;
R – радиус барабана, м.
Угловая скорость ω, с-1 определяется по формуле
ω = Vб /R,
(3)
где  б – окружная скорость барабана, м/с,
6
Vб = (2·π·R·n) / 60,
(4)
где n – частота вращения барабана вокруг собственной оси, об/мин.
Согласно рисунка 1, сила трения Tтр. о дно барабана препятствует
движению инерционного тела к внутренней боковой поверхности барабана
и соответственно снижает эффект воздействия на волокно инерционных сил J.
Сила трения Ттр, Н, определяется по формуле
Tтр. = fск·P = fск·m·g,
(5)
где fск – коэффициент трения скольжения металла по металлу;
P – нормальная сила от массы инерционного тела, Н;
g – ускорение свободного падения, м/с2.
1 – барабан; 2 – инерционное тело; Tтр. – сила трения о дно барабана;
J – сила инерции; P – сила тяжести инерционного тела; Nокр – окружное усилие;
Р1 – усилие, приходящееся в месте контакта инерционного тела с внутренней
поверхностью барабана.
Рисунок 1 – Схема воздействия на волокно инерционных сил
Усилие, приходящееся в месте контакта инерционного тела с внутренней поверхностью барабана P1, Н, определяется по формуле
P1 = J – Tтр. .
(6)
Разрушение волокон за счет касательных сил сдвига при контакте
ножей инерционного тела с ножами барабан (рисунок 2). Модуль силы
трения качения о стенку барабана Tктр определятся по формуле
Tктр. = (fк· P1) / r,
(7)
где fк – коэффициент трения качения;
7
r – радиус инерционного тела.
Сила трения скольжения о стенку барабана определяется по формуле
Tсктр. = fск · P1.
(8)
Рассмотрим состояние инерционного тела при различной частоте
вращения барабана и изменении окружного усилия Nокр:
а) инерционное тело катится без скольжения, если Tктр < Nокр < Tсктр.;
б) инерционное тело катится со скольжением, если Nокр > Tсктр..
Tктр – сила трения качения о стенку барабана, Н; Rn – нормальная составляющая
реакции опоры, Н; Rτ – тангенциальная составляющая реакции опоры, Н;
RА – сила реакции опоры, Н; Tсктр. – сила трения скольжения о стенку барабана, Н
Рисунок 2 – Схема воздействия инерционных тел на волокно за счет сил трения
скольжения и трения качения
Определим окружное усилие, действующее на инерционное тело Nокр.,
Nокр. = Pдв·η / Vo,
(9)
где Pдв – мощность электродвигателя, кВт;
Vo – окружная скорость вращения инерционного тела, м/с;
η – коэффициент полезного действия механической передачи от
двигателя.
η = η12·η2·η3·η4,
(10)
где η1 – потери на трение в подшипниках качения;
η2 – потери на трение в ременной передаче с клиновыми ремнями;
η3 – потери на трение в конической передаче;
η4 – потери в опорах вала привода аппарата.
8
Vo = (π·Dc·n) / 60,
(11)
где Dc – диаметр инерционного тела, м.
На основании результатов расчета построен график зависимости сил
трения скольжения и трения качения от окружного усилия (рисунок 3).
Из графика видно, что с увеличением окружного усилия уменьшается и сила трения качения, и скольжения. Сила трения скольжения о стенку
барабана является наибольшей, обеспечивающей максимальное разрушающее воздействие на волокно. С уменьшением окружного усилия (увеличение частоты вращения инерционных тел) наблюдается резкий рост силы
трения скольжения.
Tктр, Н
2
Tcк тр, Н
1
Nокр, Н
тр
1 – сила трения качения о стенку барабана, Tк ;
2 – сила трения скольжения о стенку барабана, Tcк тр
Рисунок 3 – Зависимость сил трения скольжения и трения качения от окружного усилия
Удельное давление в месте контакта ножей рабочего тела с ножами
барабана при воздействии инерционных сил. Удельное давление при размоле волокнистых материалов в ножевых размалывающих машинах является одним из основных регулируемых факторов процесса размола. Высокое удельное давление при размоле приводит преимущественно к рубке
волокон, низкое удельное давление – к фибриллированию.
Аналогичную картину можно предвидеть и в исследуемой размольной
установке с использованием инерционных тел. Дело в том, что в качестве
рабочих органов, непосредственно контактирующих друг с другом в процессе размола волокнистых материалов, выступают ножи инерционного
тела и ножи внутренней боковой поверхности барабана в виде насечки.
Удельное давление в зоне контакта ножей р, Па, запишется
p = P1 / F,
(12)
где P1 – усилие, приходящееся в месте контакта инерционного тела с
внутренней поверхностью барабана, Н;
9
F – площадь перекрытия ножей инерционного тела с ножами
внутренней боковой поверхности барабана, м2.
Из формулы (12) видно, что удельное давление в зоне контакта ножей
зависит от величины P1, которая растет с увеличением окружной скорости
вращения инерционных тел и площади контакта ножей инерционного тела
с ножами барабана в зоне контакта.
При постоянной длине дуги контакта ножей, площадь их контакта зависит от угла расположения ножей на боковой поверхности инерционного
тела относительно вертикальной оси (рисунок 4).
Углы установки ножей инерционного тела относительно оси:
а – 0 °; б – 35 °; в – 45 ° (135°); г – 55 °
Рисунок 4 – Схемы отпечатков ножей инерционных тел при контакте с поверхностью барабана
На основании результатов расчета построен график зависимости
удельного давления от усилия Р1 (рисунок 5).
1 – угол скрещивания ножей на инерционном теле и барабане 0 º;
2 – угол скрещивания ножей на инерционном теле и барабане 80 º.
Рисунок 5 – Зависимость удельного давления в зоне контакта ножей от частоты
вращения инерционных тел
10
Из графика, представленного на рисунке 5, видно, что максимальное
удельное давление в зоне контакта ножей наблюдается при угле скрещивания ножей, равном 80 º, а минимальное давление наблюдается при угле
скрещивания ножей 0 º. Следовательно, при угле скрещивания 0 º предполагается менее интенсивное укорочение волокон с последующей фибрилляцией.
Для исследования влияния углов скрещивания на основные технологические показатели процесса размола размольной установки с инерционными телами при помощи пакета программ КОМПАС-V8+ были изготовлены прозрачные графические модели инерционных тел с различными
углами установки ножей по отношению к оси вращения. Размольный барабан был использован с постоянным углом наклона ножей α2 с соблюдением реальных геометрических размеров.
При углах установки ножей относительно оси на инерционных телах
α1 = 0º, 35º, 45º (135º), 55º и фиксированном угле наклона насечки барабана
получены углы скрещивания α3, равные, соответственно 35º, 0º, 80º, 20º
(рисунок 6).
а) α1 = 0°; б) α1 = 35°; в) α1 = 45° (135º); г) α1 = 55°
Рисунок 6 – Схема углов установки режущих кромок ножей на инерционном теле относительно оси вращения и углов скрещивания ножей инерционного тела с ножами барабана
11
Для определения циклической элементарной длины использовалась
формула
Lω.эл = (mЦ·mБ·lЦ) / t, м,
(13)
где mЦ – число ножей на инерционном теле;
mБ – число ножей на барабане;
lЦ – длина ножей на цилиндре, м;
t – количество точек контакта.
Данная формула позволит получить истинное значение циклической
элементарной длины для установки с инерционным движением размольных тел.
По результатам расчета получена зависимость циклической элементарной длины от угла скрещивания режущих кромок ножей размольного
тела и барабана (рисунок 7).
Рисунок 7 – Зависимость циклической
элементарной длины от угла скрещивания
ножей
Оценку влияния углов
установки ножей, обеспечивающих, определенную
величину углов скрещивания в точках контакта,
производили с учетом количества движущихся точек пересечения режущих
кромок, c увеличением которых понижается значение циклической элементарной длины, Lω.эл.
При угле скрещивания 0° точка пересечения режущих кромок сливается в линию направленную по плоскости расположения ножей. Условно
считаем линию за один контакт. В этом случае показатель циклической
элементарной длины имеет максимальное значение. С увеличением количества точек контакта значение циклической элементарной длины уменьшается, что может снизить качество помола, а так же производительность
установки.
В экспериментальной части представлены методики исследований и
обработки экспериментальных данных, описание экспериментальной установки. Для подтверждения теоретических выводов были проведены экспериментальные исследования по изучению влияния конструктивных и технологических параметров размольной установки на бумагообразующие
свойства волокнистой массы и физико-механические показатели готовых
отливок.
Описание экспериментальной установки. Принцип работы аппарата
заключается в следующем (рисунок 8). Размол волокнистого материала
производится при перекатывании инерционного тела по внутренней стенке
размольного барабана под действием центробежной силы, возникающей
12
1 – станина; 2 – корпус; 3 – электрощит управления; 4 – электродвигатель;
5 – вариатор; 6 –тахогенератор; 7 – барабана размольный.
Рисунок 8 – Общий вид экспериментальной установки
при вращении размольного барабана вокруг центрального вала и собственной оси, а так же сил трения скольжения в месте контакта инерционного
тела с внутренней боковой поверхностью размольного барабана
Интенсивность прироста степени помола волокнистых полуфабрикатов позволяет судить о производительности размольной установки при
определенном качестве помола и удельных затратах электроэнергии на
размол. Экспериментальные исследования проводились с учетом различных конструктивных особенностях инерционных тел, концентрации обрабатываемой волокнистой суспензии и частоты вращения рабочих органов
установки.
Для исследования влияния углов установки ножей на инерционном
теле и углов скрещивания ножей инерционных тел с ножами барабана при
размоле волокнистой массы были спроектированы и изготовлены инерционные тела с различными углами расположения ножей (рисунок 9).
а
б
в
г
угол установки ножей относительно оси вращения: а) 0 °; б) 35 °; в) 45 ° (135 º); г) 55 °
Рисунок 9 – Инерционные тела с различной поверхностью зубчатого профиля
На рисунке 10 представлен график зависимости степени помола волокнистой массы от времени размола с учетом с учетом конструктивных
особенностей рабочих поверхностей инерционных тел.
13
Экспериментальные исследования показали, что наилучшими значениями частоты вращения и концентрации являются: n=228 об/мин и с = 5 %.
Для изучения влияния угла скрещивания ножей инерционного тела с ножами барабана на процесс размола нами рассматривались зависимости
прироста градуса помола от времени размола при различных значениях
концентрации волокнистой суспензии и частоте вращения инерционного тела.
Как видно из рисунка, качественные зависимости кривых носят идентичных характер вне зависимости от конструктивных особенностей рабочей зоны инерционных тел. Все зависимости продолжают свой рост до 70 °ШР.
Углы скрещивания ножей инерционного тела с
ножами барабана, град:
1 – 0 º; 2 – 20 °; 3 – 35 º; 4 – 80 º
Рисунок 10 – Зависимость прироста степени
помола от времени размола
Это можно объяснить
тем, что увеличение угла
установки инерционного
тела влечет за собой увеличение угла скрещивания
ножей рабочих поверхностей размольной установки, а последнее обеспечивает значительное увеличение точек контакта ножей при их пересечении, а
следовательно
циклической элементарной длины
Lω.эл. Интенсивность прироста степени помола
снижается по мере увеличения углов установки ножей инерционного тела
относительно его оси. Это обеспечивает в конечном счете снижение производительности размольной установки, так как возрастает эффект рубки
волокна при размоле, и при этом наблюдается снижение качества помола.
Рассмотрено влияние концентрации массы на время размола при различной частоте вращения инерционных тел; основные бумагообразующие
свойства волокнистой массы и физико-механические характеристики готовых отливок.
На рисунке 11 представлен график зависимости времени размола от
концентрации массы для значения частоты вращения инерционных тел
228 об/мин.
Из рисунка 11 видно, что с повышением концентрации масса до 5 %
наблюдается увеличение времени размола волокна независимо от угла
скрещивания ножей инерционных тел с ножами барабаны и скорости их
вращения.
При размоле волокнистой массы концентрацией выше 5 % время размола остается величиной постоянной, то есть размол волокон прекращается не зависимо от конструкции инерционных тел и скорости их вращения.
14
Наилучшие
значения
времени размола наблюдаются при угле установки ножей 35 º. Это можно объяснить следующим образом.
При угле установки ножей
35º образуется минимальный
угол скрещивания равный 0 º,
то есть наблюдается зеркальное расположение ножей.
При этом угле скрещивания
образуется минимальное количество точек пересечения
(контактов) кромок ножей
инерционного тела с кромками ножей барабана.
Углы скрещивания ножей инерционного
тела с ножами барабана, град:
1 – 0 º; 2 – 20 °; 3 – 35 º; 4 – 80 º
Рисунок 11 – Зависимость времени,
затраченного на размол, от концентрации
волокнистой массы при частоте вращения
инерционного тела 228 об/мин
На волокна, при таком расположении ножей, действует в большей степени
эффект фибрилляции волокна, что в дальнейшем ведет к повышению качества размалываемой массы и производительности установки.
На рисунке 12 представлен график зависимости основных бумагообразующих свойств волокнистой массы от концентрации при частоте вращения инерционных тел 228 об/мин, угле скрещивания ножей инерционных тел с ножами барабана 0 º, степени помола волокнистой массы 60 °ШР.
Lа, мм;
W·102,
%;
S·105,
м2/кг;
σ·10-3,
Па
с, %
1 – средняя длина волокна, Lа;
2 – водоудерживающая способность, W;
3 – внешняя удельная поверхность, S;
4 – межволоконные силы связи, σ
Рисунок 12 – Зависимость бумагообразующих
свойств волокнистой массы от концентрации
концентрации волокнистой массы.
Из графика видно, что
зависимости водоудерживающей способности «W»,
средней длины волокна
«La» и внешней удельной
поверхности «S», имеют
характер близкий к линейному с незначительным повышением
показателей
средней длины волокна и
внешней удельной поверхности. Вместе с тем наблюдается значительное повышение межволоконных сил
связи «σ» по параболической зависимости с ростом
15
На рисунке 13 представлена зависимость основных физикомеханических свойств готовых отливок от концентрации волокнистой массы. Из графика видно, что все упомянутые физико-механические показатели отливок имеют тенденцию роста с повышением концентрации массы.
Более интенсивный рост по параболической траектории наблюдается у показателя числа двойных перегибов «U».
L·102,
м;
U·101,
ч.дв.п.;
Е, Н
с, %
1 – разрывная длина, L; 2 – число двойных
перегибов, U; 3 – сопротивление раздиранию, Е
Рисунок 13 – Зависимость физико-механических свойств готовых отливок от концентрации волокнистой массы
Повышение значений
физико-механических характеристик готовых отливок с
ростом концентрации можно
объяснить повышением основных бумагообразующих
свойств волокнистой массы
(см. рисунок 12).
Так же в диссертации представлены зависимости бумагообразующих свойств волокнистой массы и физикомеханических свойств
готовых отливок от частоты вращения инерционных тел и угла скрещивания ножей на инерционном теле и барабане.
Рассмотрим следующие сопоставления теоретических и экспериментальных результатов исследования: удельное давление в месте контакта
ножей рабочего тела с ножами барабана при воздействии инерционных сил
при различных углах установки ножей; влияние циклической элементарной длины на качество разработки волокна.
График удельного давления (см. рисунок 5) был построен на основании теоретических расчетов. Графики, представленные ниже, это графики,
построенные по данным экспериментальных исследований бумагообразующих свойств волокнистой массы на примере средней длины волокна и
внешней удельной поверхности волокна.
На рисунке 14 приведены экспериментальные данные бумагообразующих свойств волокнистой массы на примере средней длины волокна (а)
и внешней удельной поверхности волокна (б).
Данные графики подтверждают теорию удельного давления в зоне
контакта ножей. Из графика (см. рисунок 14 а) видно, что снижение средней длины волокна наблюдается менее интенсивно при угле скрещивания
ножей равным 0º, наилучший показатель внешней удельной поверхности
волокна (см. рисунок 14 б) так же наблюдается при угле скрещивания ножей
на инерционном теле с ножами барабана 0º.
16
б
a
1 – угол скрещивания ножей на инерционном теле и барабане 0º;
2 – угол скрещивания ножей на инерционном теле и барабане 80º.
Рисунок 14 – Зависимость средней длины волокна и внешней удельной поверхности волокна от градуса помола.
Теоретически и экспериментально доказано, что с увеличением циклической элементарной длины качественные показатели процесса размола
повышаются (см. рисунок 7).
В теоретической части мы делали предположение, что при угле скрещивания ножей равном 0º качественные показатели процесса размола будут повышаться. На рисунках 15 приведены экспериментальные данные
физико-механических характеристик готовых отливок на примере разрывной длины (а) и числа двойных перегибов (б).
а
б
1 – угол скрещивания ножей на инерционном теле и барабане 0º;
2 – угол скрещивания ножей на инерционном теле и барабане 80º.
Рисунок 15 – Зависимость разрывной дины и числа двойных перегибов от градуса
помола
Из графика (см. рисунок 15 а) видно, что наилучший показатель разрывной длины наблюдается при угле скрещивания ножей равный 0º. Из
17
графика (см. рисунок 15 б) также видно, что наивысшее значение показателя числа двойных перегибов наблюдается при угле скрещивания 0º.
В практической реализации результатов работы, решена задача
оптимизации процесса размола на установке с инерционным движением рабочих тел.
Для решения задачи оптимизации процесса размола целлюлозы на
размольной установке в качестве параметров оптимизации были выбраны
следующие характеристики: длина волокна (Y1), водоудерживающая способность (Y2), разрывная длина (Y5), а также удельный расход электроэнергии (Y8).
Так как при размоле с использованием инерционных тел в основном
происходит фибриллирование волокон, сопровождающееся увеличением
внешней удельной поверхности, значение водоудерживающей способности волокнистой массы оказывается выше, чем в случае ножевого размола.
Это негативно сказывается на процессе обезвоживания полученной бумажной массы на сеточной части бумагоделательной машины. Следовательно, задача оптимизации процесса размола сводилась к выполнению
следующих условий: Y1  max; Y2  min; Y5  max, Y9  min.
После перевода кодированных значений входных параметров: х1 –
скорость вращения инерционных тел, х2 – концентрация волокнистой массы, х3 – угол установки ножей на инерционном теле, в натуральный вид
( Х1, Х2, Х3): х1 = (Х1 – 150)/50; х2 = (Х2 – 3)/2; х3 = (Х3 – 45)/10;
уравнения регрессии, соответствующие параметрам оптимизации при
70ШР, принимают вид:
Y1=18,68-0,06·Х1+0,61·Х2-0,58·Х3-0,00002·Х12+0,002·Х1·Х3-0,02·Х22 +
+0,0021·Х32 ;
(14)
2
Y2=-35,1-1,28·Х1-14,06·Х2+24,6·Х3+0,002·Х1 +0,04·Х1·Х2+0,05·Х1·Х3-0,27·Х32;
(15)
Y5=38467,75-12,89·Х1+443,25·Х2-1396,25·Х3+0,46·Х1·Х3-20,38·
·Х22+14·Х32 ;
(16)
2
2
Y8=-42,24+0,004·Х1-6,44·Х2+2,78·Х3-0,0001·Х1 +0,005·Х1·Х2+0,69·Х2 -0,019· Х2·Х3-0,03·Х32.
(17)
Совместно решая полученные регрессионные уравнения для различных стадий размола, получим следующие значения технологических параметров, обеспечивающих оптимальные условия проведения размола в
установке с инерционным движением рабочих тел:
Х1 = 222 об./мин; Х2 = 5 %; Х3 = 35 °.
При этом выходные параметры для 70 ШР принимают следующие
теоретические значения:
Y1 = 1,9 мм; Y2 = 340 %; Y5 = 9490 м; Y8 = 0,9 кВт·ч/кг.
Размол волокнистого материала, проведенный при оптимальных
условиях, показал следующие результаты:
Y1 = 1,97 мм; Y2 = 328 %; Y5 = 9586 м; Y8 = 0,8 кВт·ч/кг.
18
Таким образом, теоретические значения данных показателей, рассчитанные по уравнениям регрессии, хорошо согласуются с экспериментальными, что еще раз подтверждает адекватность полученной математической
модели процесса размола на установке с инерционным движением размольных тел.
Проанализируем количественное соотношение значений бумагообразующих свойств волокнистого материала и физико-механических показателей готовых отливок (рисунки 16-19).
1 – размол при оптимальных условиях;
2 – размол при максимальном угле скрещивания ножей на инерционном теле и барабане 80 °.
Рисунок 16 – Зависимость среднеарифметической длины волокна от градуса помола
1 – размол при оптимальных условиях; 2
– размол при максимальном угле скрещивания ножей на инерционном теле и барабане 80 °
Рисунок 18 – Зависимость разрывной
длины от градуса помола
1 – размол при оптимальных условиях; 2 – размол при максимальном угле
скрещивания ножей на инерционном
теле и барабане 80 °
Рисунок 17 – Зависимость водоудерживающей способности от градуса помола
1 – размол при оптимальных условиях; 2 – размол при максимальном угле
скрещивания ножей на инерционном
теле и барабане 80 °
Рисунок 19 – Зависимость удельного
расхода электроэнергии от градуса
помола
19
Проведение размола при оптимальных условиях позволило улучшить
бумагообразующие свойства целлюлозы в среднем на 15 %, а физикомеханические показатели, соответственно, на 30 %, величину удельной
энергоемкости процесса за счет проведения при оптимальных условиях
стало возможным снизить на 50 % в сравнении с размолом при максимальном угле скрещивания ножей на инерционном теле и барабане 80 °.
В результате проведенных исследований процесса размола в установке с инерционным движением размольных тел при оптимальных условиях
проведения размола были получены следующие результаты:
– экономия электроэнергии за счет проведения размола при оптимальных условиях составляет 11,37 тыс. руб.;
– прирост прибыли за счет увеличения количества выпускаемой продукции составляет 44,71 тыс. руб.;
– чистая прибыль с учетом НДС составляет 44,86 тыс. рублей в год.
Выводы
В результате теоретических и экспериментальных исследований процесса размола на установке с инерционным движением рабочих тел были
получены следующие результаты:
1. Установлено, что воздействие на волокно при размоле в большей
степени осуществляется за счет сил инерции, и сил трения скольжения о
стенку барабана. Сила трения качения оказывает незначительное действие.
Удельное давление в зоне контакта ножей зависит от величины силы приходящееся в месте контакта инерционного тела с внутренней поверхностью барабана P1, которая растет с увеличением окружной скорости вращения инерционных тел и площади контакта ножей инерционного тела с
ножами барабана.
2. Проведены теоретические исследования влияния углов скрещивания режущих кромок ножей размольного тела и барабана на основные технологические параметры процесса размола. По аналогии с традиционными
ножевыми размалывающими машинами величина углов скрещивания ножей размольного тела и барабана существенным образом оказывает влияние на показатели основных технологических параметров: секундная режущая длина, циклическая элементарная длина.
3. Выявлено, что угол установки ножей зубчатого профиля инерционного тела влияет на угол скрещивания режущих кромок ножей и количество точек пересечения режущих кромок, что отражается на величине технологических параметров установки.
4. Разработаны математические модели, содержащие количественные
взаимосвязи между значениями показателей процесса размола и качественными показателями готовых отливок. Полученные в работе уравнения регрессии позволяют оценить качество размола волокнистой массы.
20
5. Установлено, что при размоле волокнистых материалов с использованием инерционных тел с углом установки ножей относительно оси 35 º ,
что соответствует углу скрещивания ножей инерционного тела с ножами
барабана 0 º, повышается качество разработки волокна, производительность установки, уменьшается удельный расход электроэнергии.
6. Определена зависимость изменения основных бумагообразующих
свойств целлюлозы и физико-механических характеристик готовых отливок при
использовании инерционных тел с различными углами установки ножей относительно вертикальной оси.
7. Получены следующие значения технологических параметров, обеспечивающих оптимальные условия проведения размола в установке: частота
вращения инерционных тел n = 222 об./мин; концентрация волокнистой массы с = 5 %; угол установки ножей на инерционном теле α1 = 35 °.
Основные материалы диссертации изложены в следующих работах:
1 Алашкевич, Ю. Д. Размол волокнистых полуфабрикатов нетрадиционным способом [Текст] / Ю. Д. Алашкевич, И. А. Воронин, В. И. Ковалев,
Н. С. Решетова // Химия растительного сырья. – 2009. – № 2. – С. 165-168.
2 Воронин, И. А. Расчёт технологических параметров процесса размола в размольной установке с инерционными телами [Текст] / И. А. Воронин, А. А. Дирацуян, Ю. Д. Алашкевич // Лесной вестник. – 2010. – № 6. –
С. 156-159.
3 Воронин, И. А. Размол волокнистых материалов в установке с инерционным движением размольных тел [Текст] / И. А. Воронин, Ю. Д. Алашкевич,
А. А. Дирацуян, Н. С. Решетова // Химия растительного сырья. – 2011. – № 1 –
С. 183-188.
4 Воронин, И. А. Влияние окружной скорости движения инерционных
тел на процесс размола волокнистых полуфабрикатов [Текст] / И. А. Воронин, Н. С. Решетова, Ю. Д. Алашкевич, В. А. Кожухов // Лесной и химический комплексы – проблемы и решения: сб. ст. всерос. науч.-практич. конф.
– Красноярск, 2008. – Т. I. – С. 57-62.
5 Алашкевич, Ю. Д. Процесс размола волокнистых полуфабрикатов в
размольной установке с использованием инерционных тел [Текст] /
Ю. Д. Алашкевич, И. А. Воронин, В. И. Ковалев // Новые достижения в
химии и химической технологии растительного сырья: сб. ст. всерос.
науч.-практич. конф. – Барнаул, 2009. – № 1.– С. 223-225.
6 Иванов, Д. А. Конструкции размольных установок с оригинальным
способом размола [Текст] / Д. А. Иванов, К. А. Иванов, И. А. Воронин,
В. А. Кожухов, Ю. Д. Алашкевич // Молодые учёные в решении актуальных
проблем науки: сб. ст. всерос. науч.-практич. конф. – Красноярск, 2009. –
Т. I. – С. 222-230.
21
7 Воронин, И. А. Механизм воздействия на волокно при размоле волокнистых полуфабрикатов в установке с использованием инерционных
тел [Текст] / И. А. Воронин, Д. А. Иванов, К. А. Иванов, Ю. Д. Алашкевич
// Молодые учёные в решении актуальных проблем науки: сб. ст. всерос.
науч.-практич. конф. – Красноярск, 2009. – Т. I. – С. 209-214.
8 Иванов, К. А. Обработка волокнистой суспензии в размольной установке с инерционным воздействием на волокно [Текст] / К.А. Иванов,
Д.А. Иванов, И.А. Воронин, В.А. Кожухов, Ю. Д. Алашкевич // Молодые
учёные в решении актуальных проблем науки: сб. ст. всерос. науч.практич. конф. – Красноярск, 2009. – Т. I. – С. 231-235.
9 Воронин, И. А. Особенности размола макулатуры в установке с использованием инерционных тел [Текст] / И. А. Воронин, Ю. Д. Алашкевич,
Н. С. Решетова, А.С Хлевнов // Лесной и химический комплексы – проблемы и решения: сб. ст. всерос. науч.-практич. конф. – Красноярск, 2009. –
Т. II. – С. 203-210.
10 Воронин, И. А. Нетрадиционный способ обработки волокнистой
суспензии при производстве бумаги [Текст] / И. А. Воронин, Ю. Д. Алашкевич, А.С Хлевнов // Актуальные проблемы современной науки: 10-ая
междунар. конф. – Самара, 2010. – Ч. 1 (естественные науки) – С. 40-44.
11 Воронин, И. А. Влияние угла установки ножей сателлита на размол
волокнистых материалов в установке с инерционным движением размольных тел [Текст] / И. А. Воронин, А. А. Дирацуян (Набиева), Ю. Д. Алашкевич // Молодые учёные в решении актуальных проблем науки: сб. ст. всерос. науч.-практич. конф. – Красноярск, 2010. – Т. II. – С. 83-86.
12 Хлевнов, А. С. Влияние концентрации волокнистой массы на процесс
размола в установке с инерционным движением размольных тел [Текст] /
А.С. Хлевнов, Ф.И. Купряков, И.А. Воронин, Н.С. Решетова // Молодые учёные в решении актуальных проблем науки: сб. ст. всерос. науч.-практич.
конф. – Красноярск, 2010. – Т. II. – С. 115-118.
13 Воронин, И. А. Математические модели процесса размола в установке с инерционным движением рабочих тел [Текст] / И.А. Воронин,
Ю. Д. Алашкевич, А.С. Хлевнов // Лесной и химический комплексы – проблемы и решения: сб. ст. всерос. науч.-практич. конф. – Красноярск, 2010.
– Т. II. – С. 74-78.
14 Хлевнов, А. С. Оценка влияния углов скрещивания режущих кромок инерционных тел центробежно-размольной установки на качество
помола [Текст] / А.С. Хлевнов, И.А. Воронин, Ю. Д. Алашкевич // Молодые
учёные в решении актуальных проблем науки: сб. ст. всерос. науч.практич. конф. – Красноярск, 2011. – Т. II. – С. 65-67.
15 Пат. № 2314381. Российская Федерация. МПК D21В 1/00, B02C
17/00. Центробежный размалывающий аппарат [Текст] / Ю.Д. Алашкевич,
В.И. Ковалев, И.А. Воронин, В. Г. Васютин – № 2009103391. Заявл.
12.02.2009; Опубл.20.09.2009. Бюл. № 26. - 5 с.
22
Подписано в печать 15.11.2011.
Формат 60х84 1/16. Усл. печ. л. 1.0.
Тираж 100 экз. Изд. № 5/13 Заказ № 1318
Редакционно-издательский центр СибГТУ
660049, г. Красноярск, пр. Мира, 82.