Информационно-образовательный портал
e-mail: [email protected]

О ПРИМЕНЕНИИ МЕТОДА КОНЕЧНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ РАБОЧИХ ЭЛЕМЕНТОВ РУБИТЕЛЬНЫХ МАШИН

Аннотация. Об успешном опыте эксплуатации котельных, работающих на биотопливе, заявляют многие регионы Российской Федерации. Пока о полномасштабном переходе на возобновляемые источники энергии в нашей стране речи нет. Однако пример, успешно действующих биотопливных котельных показывает как необходимо использовать энергетическую древесину в виде топливной щепы. Производится древесная топливная щепа путем измельчения древесного сырья (отходов лесопереработки, отходов деревообработки и порубочных остатков) в рубительных машинах различных типов. Для получения топливной щепы применяют дисковые, барабанные и роторные рубительные машины. Их характеризует различное режущее оборудование, вид привода и транспортировки из рубительной машины готовой продукции в сборную тару. Однако в настоящее время актуальной является проблема разработки высокоэффективного оборудования для производства топливной щепы. Для этого необходимо использовать современные методы инженерного проектирования, к которому относится метод конечных элементов. В современных условиях производство инженерных расчетов путем обработки большого объема вычислений не является серьезной проблемой. Поэтому при использовании ЭВМ в инженерной практике проектирования новой техники метод конечных элементов (МКЭ) получил широкое распространение. При решении инженерных задач с помощью МКЭ определяются с формой конечного элемента. Форма конечного элемента представляет собой его внешний вид и определяет точность аппроксимации границ исследуемого объекта. Так в одномерном случае выбор ограничивается отрезком прямой. В двумерном – форма конечного элемента является любой. Однако необходимо выполнить условие, при котором с помощью выбранного конечного элемента можно, с определенной степенью точности аппроксимации границ, можно покрыть без перекрытия элементов некоторую площадь произвольной формы. Наиболее простыми элементами для двухмерного случая являются треугольный и прямоугольный элементы. В статье авторы приводят основные положения методики использования МКЭ при проектировании дисковой рубительной машины для производства топливной щепы из отходов лесосечных работ.

Ключевые слова: рубительная машина, топливная щепа, метод конечных элементов. На современном этапе создание конкурентоспособной высокоэффективной техники приобретает важное значение. Особенно это касается отечественных производителей оборудования для производства энергетической древесины в виде топливной щепы [1].

Рубительные машины являются основным оборудованием для ее производства, которые определяют количественные и качественные показатели работы всего технологического процесса выработки данного типа топливного сырья [2].

Рабочий процесс получения топливной щепы в рубительных машинах основан на ножевом или резцовом резании древесины в различных направления отношения различных типов режущего элемента к волокнам измельчаемого материала, которые подразделяется на: ножевой, резцовый, молотковый и зубовой. В ножевых рубительных машинах в качестве режущего инструмента используются плоские ножи с односторонней заточкой. При этом длина режущей кромки ножей соответствует ширине рабочей поверхности ножевого диска [3, 4].

Данный тип режущих элементов требует постоянной заточки. Необходимость заточки зависит от интенсивности использования рубительной машины и характеристик сырья (степень загрязненности, плотность древесины). Так при работе с твердыми породами затачивать ножи нужно чаще, чем при переработке сосны или ели. Частота заточки колеблется от одного раза в день до одного раза в две недели, а необходимость замены ножей возникает каждые 6–12 месяцев, что также определяется характеристиками измельчаемого материала.

Резцовые рубительные машины отличаются от ножевых тем, что на рабочей поверхности измельчителя установлены резцы, режущие кромки которых в несколько раз короче ширины рабочей поверхности. В молотковых рубительных машинах материал измельчается при ударном воздействии шарнирно закрепленных на роторе молотков. Молотковые механизмы резания в сравнении с ножевыми и зубовыми механизмами резания роторных машин обеспечивают более высокую степень дробления.

В последнее время на рынке появились новые конструкции комбинированных рубительных машин, в которых древесное сырье в начале поступает в роторный измельчитель, а затем в молотковую дробилку. Благодаря такой комбинации возможно измельчение не только древесины, но и других материалов до нужной фракции. Данный тип машин может быть использован для дробления: древесных отходов, корней деревьев, свежесрубленных растительных отходов, мусора, бытовых и промышленных отходов.

Режущий инструмент в рубительных машинах размещается на вращающемся рабочем органе в виде диска, барабана, ротора. Рубительные машины оснащают устройствами для подачи и загрузки сырья, средствами для транспортирования из рубительных машин готовой щепы, а также оборудованием для перемещения ее в сборную тару [5].

По конструктивным схемам исполнения механизма резания рубительные машины можно разделить на следующие основные классы: дисковые, барабанные, роторные и конические. При этом класс конических рубительных машин является промежуточным между дисковыми и барабанными. Их отличительной особенностью являются то, что механизм резания выполнен в виде вращающегося одного или двух усеченных конусов.

В дисковых рубительных машинах механизм резания выполнен в виде вращающегося плоского или профилированного диска с расположенными на его рабочей поверхности режущими элементами, что позволяет делить их на малоножевые или многоножевые [6].

В малоножевых рубительных машинах наблюдается прерывистый процесс резания, а многоножевые машины позволяют получить непрерывный процесс резания. Количество ножей, расположенных на диске сказывается на производительности машины. Так многорезцовые рубительные машины позволяют производить рубку древесного сырья большого диаметра 0,5 м и более, а малорезцовые способны измельчать древесные отходы диаметром не более 0,15 м.

Дисковые рубительные машины делятся по направлению подачи перерабатываемой древесины к измельчителю: с горизонтальной и наклонной, расположенной под углом к режущему диску для уменьшения усилия резания. У рубительных машин с наклонной подачей лезвия ножей менее подвержены затуплению, вследствие наличия принципа «самозатягивания» сырья к измельчителю [6].

В барабанных рубительных машинах режущим органом является вращающийся барабан, на образующей которого устанавливаются режущие элементы. В практике используются два типа конструкций ножевых барабанов, отличающихся один от другого способом удаления из зоны резания полученной щепы: щелевого и пазушного.

Щелевые рубительные барабаны изготавливают полыми, а образующаяся в процессе резания щепа через подножевые щели поступает в полость барабана и затем удаляется вдоль оси вращения барабана через один из торцевых проемов. Данный класс рубительных машин обладает низкой энергоемкостью, но сложной конструкцией.

В рубительных барабанах пазушного типа срезанная щепа собирается в пазухах, расположенных в теле барабана перед каждым режущим ножом. Для этого ножевой барабан делается сплошным и одновременно является маховиком. Такой тип рубительных машин используются для переработки отходов деревообработки и лесосечных отходов. Их существенным недостатком является зависимость угла резания от диаметра перерабатываемого сырья, в результате чего получается щепа неоднородная по фракционному составу и с разным углом среза [7–9].

В роторных рубительных машинах измельчение сырья происходит между ножами ротора, вращающегося навстречу материалу и ножами, закрепленными на станине. Роторы могут быть плоскими или профилированными и оснащаться наваренными зубьями или сменными зубцами, закрепляемыми на валу с помощью винтовых креплений. Ножи изготавливаются различной формы и способа крепления, а их количество варьируется от десятка до нескольких сотен.

Удаление изготовленной щепы из рубительной машины является конечным этапом производства продукции, который определяет ее качество и объем [10]. Основными являются ударный и безударный способы транспортирования щепы из рубительных машин. При этом ударному способу транспортирования характерны конструктивные схемы с верхним и нижним выбросом [11].

При верхнем выбросе щепу транспортирование осуществляется воздушным потоком, создаваемого режущим органом или же с помощью лопаток, расположенных на задней части рубительного диска, которые направляют полученный продукт по щепопроводу в бункер или контейнер. При нижнем выбросе щепа, за счет силы воздействия режущих элементов, попадает на расположенный под машиной транспортер или бункер и направляется на дальнейшую переработку [11].

Все рубительные машины с верхним и нижним выбросом щепы оснащены вентилятором, предназначенным для выдувания щепы из корпуса рубительной машины через щепопровод в бункер. При этом полученную щепу можно удалять с помощью воздушного потока вверх по щепопроводу или удалять щепу вниз на транспортер.

При безударном способе применяется технологическая схема ­получения щепы с пониженной скоростью резания древесного материала с выбросом щепы из подножевых пазух режущего диска на его периферию по направлению подачи сырья.

В настоящее время актуальной становится задача повышения производительности рубительных машин при сохранении качества вырабатываемой топливной щепы [12]. Такая задача требует совершенствования функций всех частей рубительной машины, увеличения надежности ее работы. Важнейшую роль при решении данной задачи играет совершенствование процесса проектирования рубительных машин.

Проведенный анализ применяемых методов расчета элементов конструкции рубительных машин позволяет сделать вывод о том, что инженерные расчеты, основанные на коэффициентах запаса прочности материала, не позволяют эффективно использовать методы оптимального проектирования, эффективно внедрять САПР.

Поэтому при расчете основных элементов рубительных машин целесообразно использовать уточненный метод конечных элементов (МКЭ). Моделируемый рабочий процесс измельчения порубочных остатков и транспортирование полученной топливной щепы является достаточно сложным и требует представления с высокой адекватностью в модели порубочных остатков (их формы, механических свойств, способности к фрагментации), а также самого устройства для измельчения (рабочих поверхностей загрузочного патрона, рубительного диска, подающих вальцов, подающего устройства крестообразного типа, механизма транспортирования щепы) [13].

В модели необходимо воспроизвести перемещение в пространстве, деформацию и фрагментацию древесного сырья. Задачи со сложными геометрическими формами и распределенными физическими свойствами обычно решают разбиением сложного тела на большое количество отдельных однотипных элементов [14].

В соответствии с МКЭ порубочные остатки представляются в виде множества шарообразных элементов диаметром dЭ = 2 см, объединенных в отдельные ветви (рис. 1). Ветви имеют свой набор геометрических параметров (длина, диаметр, «ветвистость») и случайно расположены в пространстве в начальный момент времени.

Состояние каждого шарообразного элемента i определяется шестью переменными: координатами его центра (xi, yi, zi) и тремя составляющими скорости (vxi, vyi, vzi). Взаимодействие элементов между собой носит вязкоупругий характер: как в продольном направлении, так и по отношению к изгибу, что позволяет адекватно учитывать различные виды упругих деформаций ветви [15].

Кроме того, соседние элементы ветви в модели первоначально связаны между собой, и при удалении двух элементов друг от друга на некоторое критическое расстояние (например, под воздействием ножа рубительного диска) или изгибе ветви на некоторый критический угол происходит «отрыв» – вязкоупругое взаимодействие соседних элементов отключается.

В модели возможно воспроизвести сложные геометрические форму рубительного диска, подающих вальцов и подающего устройства крестообразного типа, их вращение, а также загрузочный патрон. В рамках конечно-элементного подхода поверхности сложной формы заменяются большим количеством плоских фигур [16].

Как правило, в качестве элементарной фигуры используют треугольники, так как они легко стыкуются между собой и позволяют воспроизводить поверхность любой формы. Поэтому в рамках разрабатываемой модели поверхности машины представляются в виде совокупности множества элементарных треугольников.

Треугольник в трехмерном пространстве задается координатами трех его вершин Ti1(xi1, yi1, zi1), Ti2(xi2, yi2, zi2), Ti3(xi3, yi3, zi3), где T – обозначение точки-вершины треугольника; i – номер треугольника; индексы 1, 2 или 3 – означают номер вершины для i-го треугольника. Для образования сложных поверхностей треугольники стыкуются между собой по какому-либо ребру, при этом для соседних треугольников совпадают по две вершины (например T71 = T81, T72 = T82). Рубительный диск представляется как комбинация плоской поверхности диска и выступающих ножей (рисунок 2б, в).

Положение базовых точек рубительного диска задается следующими формулами:

xP0 = xД; yP0 = yД; zP0 = zД;

xP1 = xД + bД; yP1 = yД; zP1 = zД + hД;

xP2 = xД + bД; yP2 = yД; zP2 = zД + RД;

xP3 = xД; yP3 = yД + hД; zP3 = zД + hД;

xP4 = xД; yP4 = yД + hД; zP4 = zД + RД; (1)

xP5 = xД; yP5 = yД + hД/2; zP5 = zД + hД;

xP6 = xД; yP6 = yД + hД/2; zP6 = zД + RД;

xP7 = xД; yP7 = yД + RД; zP7 = zД + hД,

где xД, yД, zД – координаты центра рубительного диска; bД – выступ ножа над плоскостью диска; hД – ширина просвета в диске для отвода щепы; RД – радиус диска.

Загрузочный патрон в модели состоит из четырех четырехугольников, соответственно из восьми элементарных треугольников (рис. 3а). С течением времени порубочные остатки подаются в направлении рубительного диска с помощью вальцов и подающего вала, вращающихся с некоторой угловой скоростью, ωВ и ωП соответственно.

Рабочая поверхность подающего барабана с некоторой степенью загрубления была разбита на 12 прямоугольников (рис. 4а), каждый из которых состоит из двух треугольников (12 × 2 = 24 треугольника) (рис. 4в). При стыковке треугольников, как показано на рисунке 4, поверхности подающего вала оказываются замкнутыми вокруг вала, однако по торцам вала остаются свободные ребра. Последние практически не оказывают отрицательного влияния на результаты моделирования, так как выходят за области подачи порубочных остатков.

Аналогичным образом подающие вальцы представляются в модели в виде правильной шестигранной призмы с шестью боковыми плоскостями (рис. 4б). В целом, рабочая поверхность каждого вальца состоит из 12 треугольников.

В процессе работы машины ветви касаются тех или иных поверхностей машины. Это вызывает появление как сил, действующих на поверхности машины и вызывающих сопротивление движению элементов машины (рубительного диска, вальцов, подающего вала), так и сил, действующих на элементы ветви и вызывающих перемещение ветви в пространстве и ее измельчение [17, 18].

Силы рассчитываются в предположении о вязко-упругом взаимодействии между поверхностью и элементами ветви. При расчете сил основную сложность вызывает проверка, контактирует ли элемент ветви с данным треугольником поверхности Tij, и, если контактирует, расчет величины внедрения rвн элемента в плоскость данного треугольника и направления взаимодействия.

В целом, метод конечных элементов позволяет адекватно отображать процессы взаимодействия элементов рубительной машины с измельчаемым материалом, что позволяет его широко применять при проектировании новых высокопроизводительных моделей рубительных машин.

литература

  1. Головков, С. И. Энергетическое использование древесных отходов / С. И. Головков, И. Ф. Коперин, В. И.Найденов. – М. : Лесн. пром-сть, 1987. – 224 с.
  2. Васильев С. Б. Техника и технология производства щепы в леспромхозе: монография / С. Б. Васильев, В. И. Патякин, И. Р. Шегельман. – Петрозаводск: Изд-во ПетрГУ, 2001. – 100 с.
  3. Сюнёв В. С. Лесосечные машины в фокусе биоэнергетики: конструкции, проектирование, расчет: учеб. пособие / В. С. Сюнёв, А. А. Селиверстов, Ю. Ю. Герасимов, А. П. Соколов. – Йоэнсуу : Изд-во НИИ леса Финляндии METLA, 2011.– 143 c.
  4. Фокин С. В. Экологосберегающие технологии при ведении современных агролесомелиоративных мероприятий / С. В. Фокин, О. Н. Шпортько, А. С. Бурлаков // Научная жизнь, В.7/ООО «Буква». – М., 2017 – С. 77–90.
  5. Фокин С. В. Совершенствование технических средств переработки отходов лесосечных работ на топливную щепу в условиях вырубки: монография. – М. : Инфра-М, 2018. – 187 с.
  6. Фокин С. В. К выбору мобильной рубительной машины для переработки лесосечных отходов // С. В. Фокин, О. Н. Шпортько. – Центральный научный вестник, Т. 2 // Номер 18(35) // 25 сентября 2017 г. – Режим доступа: http://cscb.su/n/021801.html.
  7. Фокин С. В. К вопросу переработки древесных отходов на предприятиях АПК / С. В. Фокин, О. Н. Шпортько, К. С. Манышев // Современное экологическое состояние природной среды и научно – практические аспекты рационального природопользования: сборник материалов II научно-практической интернет – конференции. – ФГБНУ «ПНИИАЗ». – Астрахань, 2017. – С. 1822–1826.
  8. Фокин С. В. Об использовании древесных отходов при восстановлении защитных лесных полос / С. В. Фокин, О. Н. Шпортько, В. В. Цыплаков // Научная жизнь, В.6/ООО «Буква». – М., 2015 – С. 134–142.
  9. Фокин С. В. Описание конструкции и работы опытного образца рубительной машины для измельчения порубочных остатков // Актуальные направления научных исследований XXI века: теория и практика: сборник научных трудов по материалам международной заочной научно-практической конференции: изд-во ВГЛТА, Воронеж, 2015 г. № 2-1(13-1)-т.3 – С. 146–149.
  10. Фокин С. В. Обзор видов древесного топлива, производимого мобильными рубительными машинами и требования к размеру частиц // Актуальные направления научных исследований XXI века: теория и практика: сборник научных трудов по материалам международной заочной научно-практической конференции: изд-во ВГЛТУ, Воронеж, 2015 г. № 4-1(15-1)-т.1 – С. 122–125.
  11. Фокин С. В. О конструктивных схемах выброса щепы в рубительных машинах / С. В. Фокин, Д. А. Рыбалкин // Актуальные направления научных исследований XXI века: теория и практика: сборник научных трудов по материалам международной заочной научно-практической конференции: изд-во ВГЛТУ, Воронеж, 2015 г. № 8-ч.3(19-3) – С. 15–18.
  12. Фокин С. В. К проверке работоспособности опытного образца рубительной машины в производственных условиях / С. В. Фокин, А. Н. Фетяев // Актуальные направления научных исследований XXI века: теория и практика: сборник научных трудов по материалам международной заочной научно-практической конференции: изд-во ВГЛТУ, Воронеж, 2015 г. № 9-ч.3(20-3) – С. 227–231.
  13. Фокин С. В. Технические средства, применяемые при очистке вырубок от отходов лесосечных работ / С. В. Фокин, А. В. Храмченко // Актуальные направления научных исследований XXI века: теория и практика: сборник научных трудов по материалам международной заочной научно-практической конференции: изд-во ВГЛТУ, Воронеж, 2015 г. № 9-ч.2(20-2) – С. 280–282.
  14. Фокин С. В. К обоснованию конструктивно-технологических элементов машины для измельчения порубочных остатков / С. В. Фокин, С. В. Березников // Современные проблемы науки и образования. – 2014. – № 3. – Режим доступа: http://www.science-education.ru/117-13172.
  15. Фокин С. В. Состав и применение программного комплекса для исследования процессов резания порубочных остатков комбинированным и традиционным ножами / С. В. Фокин, С. В. Березников // Актуальные направления научных исследований XXI века: теория и практика: сборник научных трудов по материалам международной заочной научно-практической конференции: изд-во ВГЛТА, Воронеж, 2014 г. № 2 ч. 2 –
    С. 234–237.
  16. Фокин С. В. Особенности проведения компьютерного эксперимента по моделированию работы механизма загрузки порубочных остатков / С. В. Фокин, А. Н. Фетяев // Актуальные направления научных исследований XXI века: теория и практика: сборник научных трудов по материалам международной заочной научно-практической конференции: изд-во ВГЛТА, Воронеж, 2014 г. № 2 ч. 2 – С. 247–251.
  17. Фокин С. В. Постановка задачи на теоретическое исследование рабочего процесса загрузки порубочных остатков механизмом загрузки гидроманипуляторного типа / С. В. Фокин, А. Н. Фетяев // Актуальные направления научных исследований XXI века: теория и практика: сборник научных трудов по материалам международной заочной научно-практической конференции: изд-во ВГЛТА, Воронеж,2014 г. № 3 ч. 2 –
    С. 452–454.
  18. Фокин С. В. О влиянии частоты вращения рубительного диска на эффективность работы машины для измельчения порубочных остатков // Актуальные направления научных исследований XXI века: теория и практика: сборник научных трудов по материалам международной заочной научно-практической конференции: изд-во ВГЛТА, Воронеж, 2014 г. № 3(10)т.2 – С. 160–163.

Метки: Агрономия, лесное и водное хозяйство