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

ЭКОЛОГОСБЕРЕГАЮЩИЕ ТЕХНОЛОГИИ ПРИ ВЕДЕНИИ СОВРЕМЕННЫХ АГРОЛЕСОМЕЛИОРАТИВНЫХ МЕРОПРИЯТИЙ

Реферат. Производители работ по реконструкции защитных лесных насаждений регулярно сталкиваются с проблемой утилизации большого количества древесных отходов на производственных площадях. При этом переработка низкосортной древесины на топливную щепу в настоящее время является наиболее перспективной технологией, используемой в рамках альтернативной энергетики. При реализации данной технологии на практике основной операцией является измельчение древесины, которое преставляет собой главный этап производства топливной щепы. Древесная биомасса по теплотворной способности уступает некоторым видам топлива, но имеет серьезные преимущества перед ними. Основными из них являются возобновляемость, относительно меньший выброс диоксида углерода при сжигании, значительно меньшее содержание вредных веществ в золе по сравнению с минеральными видами топлива, а также углем и торфом, возможность выращивания и заготовки вблизи мест потребления, позволяющая многократно сократить расстояние транспортировки от места происхождения до места потребления. За рубежом древесная биомасса является местным видом топлива, позволяющим экономить средства на импорт топлива. В настоящее время при проведении рубок реконструкций в защитных лесных насаждениях для измельчения древесных отходов в топливную щепу применяют рубительные машины различных конструкций. Классификация данного оборудования проводится по различным характеристикам, таким как тип рабочего органа, мобильность, способ загрузки древесного сырья и способ удаления щепы из машины. Наибольшее распространение получили технологии с применением мобильных рубительных машин, так как состав технологических операций предполагает минимум дополнительного оборудования. Проведено теоретическое обоснование конструктивных особенностей механизма подачи древесных отходов с учетом свойств измельчаемого материала. Для создания математической модели рабочего процесса подачи машины для измельчения древесных отходов и математической модели процесса измельчения древесных отходов использовался метод конечных элементов. Полученные математические модели позволяют исследовать влияние на эффективность работы устройства конструктивных параметров механизма подачи дисковой рубительной машины.

Ключевые слова: биотопливо, защитные лесные полосы, дисковая рубительная машина, топливная щепа, механизм подачи, рубки реконструкции.

В развитиие современного производства с его масштабностью и темпами роста значительную актуальность приобретают проблемы разработки и применения мало- и безотходных технологий. Скорейшее их внедрение в производственный процесс рассматривается как стратегическое направление рационального использования природных ресурсов и охраны окружающей среды [1].

Данное концептуальное положение относится и к агролесомелиорации, которая позволяет улучшить длительное действие неблагоприятных условий для произрастания растений и является одним из типов мелиорации земель, заключающейся в проведении комплекса мероприятий, обеспечивающих коренное улучшение земель посредством использования почвозащитных, водорегулирующих и других свойств защитных лесных насаждений и направленных на совершенствование условий выращивания сельскохозяйственных культур, повышение продуктивности пастбищ, а также создание благоприятной экологической обстановки.

Материалы и методы

При­менение защитных лесных насаждений в качестве средства агромелиорации основано на их естественных свойствах. Деревья снижают скорость ветра, а почвы, расположенные под ними, лучше впитывают воду атмосферных осадков, в результате чего не образуется поверхностный сток воды. При этом перечисленные свойства защитных лесных насаждений распространяются не только на территорию, занятую ими, но и на примыкающую площадь [1]. Поэтому требует особого внимания разработка технологий и средств по созданию и сохранению высокопродуктивных, биологически устойчивых защитных лесных насаждений, включающим мероприятия по их содержанию (обработка почвы, полив, внесение удобрений, обрезка крон деревьев и кустарников и др.), а также действия, направленные на реконструкцию.

Реконструкция защитных лесных насаждений позволяет изменить число рядов, породного состава, схем и конструкций насаждений для повышения ветропроницаемости полос, а в отдельных случаях для улучшения общего состояния насаждений и увеличения их долговечности [2].

Также рубки реконструкции проводятся с целью замены малоценных защитных лесных насаждений, ликвидации теряющих защитные, водоохранные и другие природоохранные функции. При проведении данных мероприятий образуется значительное количество древесных отходов в виде крон, сучьев и веток.

Практический опыт проведения рубок реконструкций показывает, что с развитием химической и химико-механической переработки древесного сырья возможно использование получаемых древесных отходов, но они должны быть заготовлены и переработаны на технологическое сырье в виде щепы [1].

Измельчение древесных отходов на щепу, помимо прочего их применения, позволит решить проблему использования веток и сучьев в качестве топлива как источника тепловой энергии для нужд предприятий и населения региона [3].

Производство топливной щепы из отходов рубок реконструкции можно отнести к важной экономической проблеме, решение которой будет способствовать повышению жизненного уровня населения, так как получаемый продукт может быть использован в качестве дешевого топлива.

Наиболее остро проблема обеспечения населения теплом ощущается в сельской местности, где установка и обслуживание традиционного оборудования обходится очень дорого. Получаемая топливная щепа служит и прекрасным минеральным удобрением в случае отсутствия экономической целесообразности использования ее в качестве энергетической древесины.

Результаты и обсуждение

При производстве топливной щепы наибольшее распространение получили мобильные дисковые рубительные машины. Однако им присущи такие недостатки, как малый объем загрузочного патрона, невысокая скорость подачи и возможность измельчать для энергетических целей только крупномерное древесное сырье. Данные недостатки сказались на производительности и эффективности применения существующих конструкций дисковых рубительных машин [4].

Широкий спектр производственной применимости рубительных машин данного типа свидетельствует об универсальности используемых конструктивных схем. Дисковый рубительный орган позволяет создавать машины различных параметров и производительности. Аппараты данного типа маневренны, высокопроизводительны и малогабаритны, что позволяет их использовать в условиях рубок реконструкции защитных лесных насаждениях степной и лесостепной растительных зон [5].

Проведенный анализ способов подачи сырья к рубительному диску позволил сделать вывод, что наиболее привлекательным с точки зрения повышения производительности выполняемых работ по производству топливной щепы и особенностей измельчаемого материала является подача с помощью вальцов [6].

Существующие схемы вальцовой подачи сырья к рубительному диску предусматривают наличие прижимных вальцов (верхнего или нижнего), что значительно снижает производительность рубительных машин вследствие уменьшения объема загружаемого материала в загрузочный патрон. Увеличение объема загружаемого сырья приводит к росту металлоемкости дисковых рубительных машин и увеличению энергоемкости процесса измельчения [7].

Нами предлагается рубительная машина, оснащенная новым устройством для подачи сырья в зону рубки. Аппарат защищен патентом на изобретение № 2421328 [8].

Устройство для измельчения древесных отходов [8, 9] (рис. 1) содержит корпус загрузочного патрона 1, щепопровод 2, измельчитель 3, ременную передачу 4, приводной вал 5, механизм подачи 6, состоящий из подающего устройства 7 и подающих вальцов 8, раму подъемного устройства 9 с шарнирами 10, 11 и тягой 12, гидроцилиндр 13, трубопровод 14, систему шкивов, состоящую из шкивов 15, 16 и 17, вал 18, вал 19, клиноременную передачу 20, понижающий редуктор 21.

Устройство для измельчения древесных отходов работает следующим образом. Маневрированием трактора устройство подается к куче древесных отходов таким образом, чтобы рама подъемного устройства 9, шарнирно закрепленная с внешней стороны боковых стенок корпуса загрузочного патрона 1 на оси подающего устройства механизма подачи 6, располагалась в нижней части кучи порубочных остатков.

После этого в гидроцилиндре 13 с помощью трубопровода 14, соединенного с гидросистемой трактора, создается избыточное давление. Вследствие этого шток гидроцилиндра 13, выходя из корпуса гидроцилиндра 13 через шарниры 10 и 11, расположенные на раме подъемного устройства, и тягу 12 воздействует на раму подъемного устройства 9. Так как рама подъемного устройства 9 представляет собой многозвеньевую систему, то горизонтальное движение штока гидроцилиндра 13 преобразуется в вертикальное движение рамы подъемного устройства 9. В результате куча древесных отходов располагается на уровне большего основания корпуса загрузочного патрона 1, имеющего призмовидную форму, меньшим основанием прикрепленного к измельчителю 3, а большее основание является входным отверстием для подачи порубочных остатков.

При этом подающее устройство механизма подачи 6, ось которого установлена в основании нижней части входного отверстия корпуса загрузочного патрона 1, и подающие вальцы 8, перпендикулярно прикрепленные к внутренним боковым стенкам корпуса загрузочного патрона 1 в два ряда, обеспечивают постоянную подачу ветвей в корпус загрузочного патрона 1 и дальнейшее движение порубочных остатков к измельчителю 3. Вращательное движение подающего устройства 7 механизма подачи 6 и подающих вальцов 8, а соответственно, и линейное движение измельчаемого материала в корпусе загрузочного патрона 1 с определенной скоростью подачи обеспечиваются с помощью ременной передачи 4 и системы шкивов, состоящей из шкивов 15, 16 и 17, которые через понижающий редуктор 21 с валами 18, 19, приводной вал 5 и клиноременную передачу 20 соединены с валом отбора мощности трактора.

Доуплотнение древесных отходов производится с помощью пластин 22. Измельчение древесных отходов происходит посредством режущих элементов, расположенных на фронтальной части измельчителя 3. Измельченные части крон и ветвей под действием центробежной силы транспортируется через щепопровод 2 в приемную тару для использования в качестве биотоплива.

Непрерывность подачи материала для измельчения обеспечивается путем перемещения машинно-тракторного агрегата по производственной площади на пониженной передаче.

Загрузочный патрон рубительной машины для измельчения древесных отходов можно разделить на 3 зоны (рис. 2) [10]:

– зона загрузки (1-я), состоящая из направляющих плоскостей, подающего устройства крестообразного типа 2 и вальцов 4;

– зона уплотнения (2-я), состоящая из вальцов 5.

– зона доуплотнения (3-я), состоящая из вальцов 6 и наклонных доуплотняющих пластин 7, 8.

Движение предназначенных для измельчения порубочных остатков происходит так, как показано на рисунке 3.

Первоначально древесные отходы попадают в зону загрузки (зона 1). С помощью направляющих плоскостей и подающего устройства крестообразного типа они передаются на вальцы 4. Сырье в этой зоне практически не уплотняется.

На данном участке загрузочного патрона 1 происходит формирование некоторого объема материала, способного перемещаться в последующие зоны посредством вальцов 4. Для этой цели вальцы 4 имеют увеличенные направляющие зубья, обеспечивающие надежное сцепление с измельчаемым материалом (рис. 4).

Далее древесные отходы перемещаются в зону уплотнения (зона 2), где с помощью вальцов 5 происходит уплотнение передаваемого объема измельчаемого материала за счет того, что объем древесных отходов при работе комбинированных направляющих зубьев на вальцах 5 и стенок загрузочного патрона получает уплотнение в горизонтальной и вертикальной плоскостях.

При этом комбинированные направляющие зубья, расположенные на поверхности вальца 5, придают материалу поступательное движение в зону 3 загрузочного патрона.

По мере поступления уплотненного объема древесных отходов в зону доуплотнения (зона 3) с помощью прямоугольной формы направляющих зубьев, расположенных на поверхности вальцов 6, материал проходит через наклонные доуплотняющих пластин 7, 8. Угол наклона пластин позволяет не только доуплотнить сырье, но и задать угол направления, необходимый для качественного измельчения материала.

Для оценки эффективности механизма подачи древесных отходов, а также исследования влияния конструктивных параметров и режимов работы на его эффективность была разработана и исследована имитационная модель механизма подачи древесных отходов.

Моделирование работы механизма подачи древесных отходов основывалось на методах классической механики. Моделируемый процесс, представленный в виде движения и измельчения древесных отходов, является достаточно сложным, но вместе с тем требует своего представления с высокой адекватностью (формы порубочных остатков, механических свойств, способности к фрагментации).

Такие требования предъявляются и к механизму подачи древесных отходов (рабочих поверхностей загрузочного патрона, подающих вальцов, подающего устройства крестообразного типа).

В модели необходимо воспроизвести перемещение в пространстве, деформацию и фрагментацию древесных отходов. Задачи со сложными геометрическими формами и распределенными физическими свойствами решают разбиением сложного тела на большое количество отдельных однотипных элементов [10], что представляет собой метод дискретизации. В работе мы использовали его модификацию – метод конечных элементов (SPH).

В соответствии с положениями указанных методов, древесные отходы представлены в виде шарообразных элементов диаметром dЭ = 2 см, которые объединены в ветви (рис. 5), которые имеют определенные геометрические параметры (длину, диаметр, «ветвистость») и случайное расположение в пространстве в начальный момент времени.

Состояние шарообразных элементов i определяется шестью переменными: координатами его центра (xiyizi) и тремя составляющими скорости (vxi, vyi, vzi). Взаимодействие элементов носит вязкоупругий характер в различных направлениях (в продольном направлении, по отношению к изгибу).

Это позволяет с высокой степенью достоверности адекватно учитывать различные виды упругих деформаций элементов ветви. При этом соседние элементы ветви в начальный момент времени связываются между собой, а при удалении элементов друг от друга на определенное расстояние (под действием ножа рубительного диска, изгибе ветви на некоторый угол) происходит отключение вязкоупругого взаимодействия соседних элементов ветви.

При расчете сил, действующих на элементы ветви, использовалась следующая методика. Элемент i испытывает силовое воздействие со стороны соседних элементов j (рис. 6):

, (1)

где FУij и FВij – силы упругого и вязкого взаимодействия элементов ветви i и j; FИi – сила, возникающая вследствие изгиба ветви; NЭ – общее количество элементов ветви.

Для определения значения сил между парой элементов сначала вычисляется расстояние rij между их центрами Si(xi, yi, zi) и Sj(xj, yj, zj) (рис. 6, а):

. (2)

Элементы ветви, находящиеся на расстояниях rij > dЭ + dЭП (где dЭ – диаметр элемента ветви, dЭП – расстояние притяжения), определены как не взаимодействующие (FУij = 0, FВij = 0). При меньших значениях расстояния rij проекции составляющих FУxij, FУyij, FУzij упругой силы FУij вычисляются следующим образом:

;

; (3)

,

где cВ – жесткость упругого взаимодействия элементов ветви.

Проекции составляющих вязкой силы FВij рассчитываются следующим образом:

;

; (4)

,

где vxi, vyi, vzi и vxj, vyj, vzj – проекции составляющих скоростей i-го и j-го элемента ветви; kВ – коэффициент вязкого трения.

Вязкая сила FВij определяется прямо пропорциональной зависимостью данной силы от скорости движущегося в среде тела [11]. Для повышения достоверности полученных формул вводится дополнительный коэффициент (rij – (dЭ + dЭП)), характеризующий взаимодействие элементов ветви.

При изгибе ветви i-й элемент отклоняется от прямой, соединяющей предыдущий (i – 1) и последующий (+ 1) элементы (рисунок 6б). При этом возникают силы, стремящиеся вернуть центры всех трех элементов на одну прямую. Значение таких сил принято считать пропорциональным отклонению центра Si от середины Ci отрезка S1S2.

В разработанной модели ветвистые порубочные остатки имели три узла ответвления, в каждом из которых к основной ветви присоединялись по четыре боковые ветви (рисунок 5в). Покажем, как учитывается изгибное взаимодействие в случае ветвления порубочных остатктов. На рисунке 7 приведен пример ветви с одним боковым ответвлением. В данном частном случае изгибное взаимодействие учитывается для следующих троек элементов:

– для основного ствола: 1–2–3, 2–3–4, 3–4–5, 5–6–7 ... 28–29–30 (основной ствол состоит из 30 элементов);

– для бокового ответвления: ­31–32–33, 32–33–34;

– для узла соединения основной ветви с боковым ответвлением: 3–4–31, 4–31–32, 5–4–31.

Аналогичным образом происходит учет изгибного взаимодействия для остальных ответвлений.

В рамках предложенного подхода есть возможность моделировать два вида повреждения древесных отходов: как срезание (при превышении расстояния между элементами свыше критического происходит их отрыв), так и сламывание (при превышении угла между тремя последовательными элементами свыше заданного происходит отрыв элементов).

При расчете силы Fij, действующей со стороны элемента i на элемент j, считается, что величина силы реакции элемента j на элемент i является одинаковой по модулю, но противоположной по направлению, то есть Fji = – Fij.

Уравнения движения i-го элемента определяются выражениями:

; (5)

,

где mЭ – масса элемента; t – время; NТ – количество элементарных поверхностей; g – ускорение свободного падения.

В последнюю систему уравнений включены силы, возникающие при контакте элементов порубочных остатков с рабочими поверхностями устройства для измельчения (порядок их расчета описан ниже). Данные уравнения движения описывают развитие системы порубочных остатков с течением времени.

Выводы

В результате проведенных теоретических исследований разработаны математическая модель рабочего процесса подачи устройства для измельчения древесных отходов и математическая модель процесса измельчения древесных отходов предложенной рубительной машиной. Модель позволяет на основе компьютерных экспериментов исследовать влияние на эффективность работы устройства конструктивных параметров механизма подачи, параметров порубочных остатков, технологических параметров [11, 12].

ЛИТЕРАТУРА

  1. Шабаев А. И., Проездов П. Н., ­
    Маш­таков Д. А. и др. Концеп­туальные основы адаптивно-ландшафтного агролесомелиоративного обустройства земель в Поволжье // Нива Поволжья. – 2011. – № 3. – С. ­49–55.
  2. Соколов Д. С., Фокин С. В., По­пов В. Г. О необходимости реконструкции защитных лесных насаждений в степном Заволжье // Международный научно-исследовательский журнал. – 2015. – № 7-2(38). – С. ­124–126.
  3. Фокин С. В., Есков Д. В., Рыбал­кин Д. А. Общие вопросы производства биотоплива из отходов лесосечных работ // Проблемы агропромышленного комплекса стран Евразийского экономического союза мат. I междунар. науч.-практ. конференции. – 2015. – С. 236–238.
  4. Фокин С. В., Бурлаков А. С., Фетяев А. Н. О совершенствовании конструкции устройства для измельчения порубочных остатков  // Вавиловские чтения – 2009 : мат. конференции. – Саратов, 2009.  – С. 254–255.
  5. Фокин С. В., Бурлаков А. С. Теоретическое обоснование основных конструктивно-технологических параметров устройства для измельчения порубочных остатков // Инновационная деятельность. Вып. 4. – Са­ратов : Изд-во СГТУ. – 2011. – С. 123–130.
  6. Фокин С. В., Бурлаков А. С. Конструкция и кинематика механизма подачи устройства для измельчения порубочных остатков // Системные исследования природно-техногенных комплексов Нижнего Поволжья. – Саратов : Саратовский источник, 2011. – Вып. 3. – С. 132–137.
  7. Фокин С. В., Бурлаков А. С. О необходимости расчистки нераскорчеванных вырубок в степной и лесостепной климатических зонах // Системные исследования природно-техногенных комплексов Нижнего Поволжья. – Саратов : Саратовский источник, 2011. – Вып. 3. – С. 137–139.
  8. Пат. 2421328 Рос. Федерация : B 27 L 11/00. Устройство для измельчения порубочных остатков / В. В. Цыплаков, С. В. Фокин, А. С. Бурлаков. Заявитель и патенто­обладатель ФГОУ ВПО «Саратов­ский ГАУ». – № 20101104729/21 ; заявл. 22.03.2010 ; опубл. 22.06.2011. – Бюл. № 17.
  9. Пат. 2354545 Рос. Федерация: А 01 G 23/06. Устройство для измельчения порубочных остатков / Цыплаков В. В., Шпортько О. Н., Фокин С. В. Заявитель и патентообладатель ФГОУ ВПО «Саратовский ГАУ». – № 2007147160; заявл. 18.12.2007 ; опубл. 10.05.2009. – Бюл. № 13.
  10. Фокин С. В., Бурлаков А. С. О постановке задачи на теоретическое исследование процесса подачи порубочных остатков в рубительной машине дискового типа [Электронный ресурс] // Научный электронный архив. – Режим доступа: URL: http://econf.rae.ru/article/7819.
  11. Фокин С. В., Бурлаков А. С. О влиянии конструктивных и технологических параметров механизма подачи на его эффективность работы [Электронный ресурс] //Современные проблемы науки и образования. – 2013. – № 5. – Режим доступа: URL: www.science-education.ru/111-10212.
  12. Фокин С. В. Совершенствование технологического оборудования для заготовки энергетической древесины при расчистке вырубок : автореф. дис. ... д-ра. техн. наук. – Екатеринбург, 2013. – 38 с.

 

Метки: Агрономия, лесное и водное хозяйство