студент
Лесосибирск, Красноярский край, Россия
Лесосибирск, Красноярский край, Россия
Настоящее исследование посвящено изучению процесса измельчения древесной зелени хвойных пород и оценки влияния управляемых параметров измельчаемой установки на контролируемые параметры.Во время исследования был спланирован и реализован предварительный эксперимент, нацеленный на определение наиболее эффективного способа измельчения древесной зелени хвойных пород. В результате предварительного эксперимента было установлено, что для измельчения древесной зелени лучше всего подходит универсальная дробилка, которая относится к установкам раскалывающего и разламывающего действия. На основании данных,полученных в результате предварительно эксперимента, был спланирован и реализован активный многофакторный эксперимент, направленный на оценку влияния управляемых параметров универсальной дробилки на контролируемые параметры процесса измельчения. Установлено, что при частоте вращения ротора в диапазонеn=2750-3000 об/мин и размере ячеек сита b=1-3 мм возможно измельчать древесную зелень любой влажности. Это обусловлено тем, что при увеличении частоты вращения ротора будет происходить увеличение линейной скорости ножа, следовательно, и сила с которой будет происходить удар ножа о древесную зелень будет увеличиваться, а уменьшение размера ячеек сепаратора приведёт к тому, что измельчаемое сырье, размеры которого больше размера ячеек сепаратора, не сможет покинуть рабочую камеру установки и будет повторно подвержено ударному воздействию со стороны ножей.Представлена конструкция мобильной установки, способной перемещаться по территории лесосеки и производить операции по отделению и измельчению древесной зелени хвойных пород, а также по упаковке измельченной хвои.
древесная зелень, отделение, измельчение, упаковка, мобильность
Введение. Древесная зелень - специфический вид лесного сырья, в составе которого преобладают живые клетки хвои, молодых побегов и коры. В этих растительных клетках содержатся белки, углеводы, витамины, ферменты, желтые и зеленые пигменты, стерины, микроэлементы и другие вещества, которые необходимы для обеспечения жизнедеятельности растений, животных и человека [6,7, 11].
До недавнего времени в лесной промышленности признавался ценным только ствол, а все остальное, в том числе крона считались отходами, которые загромождали лесосеки и создавали благоприятную среду для обитания и размножения вредителей леса, а также для возникновения лесных пожаров [2, 4, 12].
В клетках древесной растительности заключены многочисленные, необходимые человеку и животным, биологически активные вещества – витамины, хлорофилл, фитонциды, микроэлементы и др. направляющие, регулирующие жизненные процессы организма, защищающие его от патогенного микромира, а также пластические и энергетические вещества – углеводы, белки, жиры, т.е. все то, что необходимо для существования человека и животных [4].
Древесная зелень выступает сырьем в лесозаготовительном производстве для получения гранулированного топлива; в лесохимическом производстве для получения хлорофиллокаротиновых паст, хлорофиллина натрия, хвойного лечебного экстракта; в агропромышленном производстве для получения хвойно-витаминной муки [9].
Для производства витаминной муки должна использоваться древесная зелень, которая может быть собрана с сосны, ели или пихты [5, 10].
СолодскойФ. Т. (2014) рассматривал новый способ получения полезных витаминов при комплексной переработки хвои. Производственные методыизвлечения витамина С из хвои основывались на холодной экстракции. Авторустановил, что при настаивании не измельченной хвои в воде при температуре около98–100 ºС в течение одного часа, не менее 50 % витамина С переходит в экстракт. Исходяиз этого, по предлагаемому способу хвою настаивают в горячей воде, в течение одного часа, после чего водный раствор сливают. Отгонка эфирных масел, после извлечения витамина С, из хвои происходит путем продувки паром для получения эфирного масла. Для выделения каротинахвою кипятят в течение одного часа в водном растворе щелочи для перевода в эмульсиюсмолистых веществ хвои [8].
В работе Галяветдинова Н.Р. и Воронина А.Е. (2014) рассматривался вопрос переработки древесной зелени с последующим получениемполезных продуктов. В результате исследования была разработана экспериментальная установка для исследования переработки древесной зелени хвойных пород водяным паром при регулировании давления среды. Так как наиболее ценным продуктом при данном способе переработки сырья является эфирное масло, именно количество и качество данного вещества на выходе будет определяющим фактором при определении эффективности данной технологии при различных режимах.Полученные результаты экспериментов показывают, что температурный диапазон переработки древесной зелени от 110oC до 130oC обеспечивает наилучшие показатели по выходу эфирного масла, что подтверждает низкую эффективность существующих установок по переработке древесной зелени водяным паром, работающих приатмосферном давлении, так как в этом случае более 50% целевого продукта остается в отработанной зелени[1].
Цель исследования. Цель данной работы заключается в разработке конструкции мобильной установки, способной перерабатывать древесную зелень на территории лесосеки. Для решения поставленной цели необходимо решить ряд задач:
- провести предварительный эксперимент, направленный на определение наиболее эффективного способа измельчения древесной зелени хвойных пород;
- провести активный многофакторный эксперимент, направленный на определение технологических параметров измельчающей установки;
- представить конструкцию мобильной установки для измельчения древесной зелени хвойных пород.
Методика проведения эксперимента. При реализации предварительного эксперимента в качестве сырья для получения полуфабриката использовалась хвоя сосны, отвечающая требованиям ГОСТ 21769-84 «Зелень древесная. Технические условия». Хвоя была высушена до влажности W=30%. Определение влажности сырья осуществлялось весовым методом.Измельчение осуществлялось на следующем лабораторном оборудовании: роторно-ножевая мельница, мельница сухого измельчения и универсальная дробилка.
Через загрузочный патрубок роторно-ножевой мельницы хвоя массой m=50 гр. поступает в камеру установки, после чего происходит её запуск. Измельчение происходит в течение t=180 с. Затем установка останавливается и полуфабрикат извлекается.
Загрузка хвои массой m=50 гр. в мельницу сухого измельчения осуществляется через загрузочный патрубок. Установка запускается и работает t=180 с. После чего её останавливают и извлекают полуфабрикат.
Хвоя массой m=50 гр. через загрузочный патрубок поступает в корпус универсальной дробилки. Происходит запуск установки в работу, измельчение происходит в течение t=180 с. Затем установка останавливается и полуфабрикат извлекается.
После того, как процесс измельчения закончен, происходит замер размеров полученного полуфабриката.
На основании данных, полученных в ходе предварительно эксперимента, планируется активный многофакторный эксперимент, целью которого является определения влияния технологических параметров установки на получаемое сырье.
Для реализации активного многофакторного эксперимента была подготовлена древесная зелень сосны, треть которой была измельчена в свежесобранном виде (W=60%), оставшиеся две трети высушены до влажности W=30% и W=0%. Определение влажности сырья осуществлялось весовым методом. Измельчение осуществлялось на универсальной дробилке. В ходе реализации эксперимента измельчались навески массой m=50 гр. В каждом случае измельчение проводилось в течение t=180 с. Значения управляемых факторов эксперимента приведены в таблице 1. К контролируемым факторам относятся длина (l, мм) и диаметр (d, мм) измельчённой хвои.
Согласно плану эксперимента (таблица 2), фиксировали значение частоты вращения ротора на нижнем, основном и верхнем уровнях, в каждом случае изменяли значения размера ячеек сита и влажность измельчаемого сырья, согласно выбранному интервалу варьирования данных факторов.
Размерные характеристики полученного полуфабриката анализировались с использованием электронного микроскопа с увеличением 100-1500 крат и линейки, имеющей цену делений 0,01 мм.
Обсуждение результатов исследования.В ходе предварительного эксперимента было установлено, что роторно-ножевые мельницы не способны измельчать хвою (наблюдается изгибание хвои без изменения геометрических размеров). Это обусловлено формой рабочего зазора установки и геометрическими особенностями хвои: большая длина и малый диаметр. В результате чего хвоя может свободно проходит через рабочий зазор между ножом и контрножом установки.
В результате измельчения хвои на мельнице сухого измельчения была получена однородная масса со средним размером частиц 1,5 мм. Ввиду того, что измельчение осуществляется между стальными жерновами установки, хвое требуется многократное прохождение между жерновами, что негативно сказывается на производительности установки.
Измельчение хвои на универсальной дробилке позволяет получать однородную массу со средним размером частиц 1,2 мм. Измельчение происходит в результате многократного ударного взаимодействия между ножами установки и измельчаемым сырье. В результате того, что ножи установки имеют заточку режущих граней, процесс измельчения значительно ускоряется.
Таблица 1
Управляемые факторы эксперимента
|
Наименование фактора |
Обозначения |
Интервал варьирования фактора |
Уровень варьирования фактора |
|||
|
натуральный вид |
нормализованный вид |
нижний (-1) |
основной (0) |
верхний (+1) |
||
|
Частота вращения ротора, об/мин |
n |
Х1 |
750 |
2000 |
2750 |
3500 |
|
Размера ячеек сита, мм |
b |
Х2 |
2 |
1 |
3 |
5 |
|
Влажность измельчаемого сырья, %. |
W |
Х3 |
30 |
0 |
30 |
60 |
Таблица 2
Матрица проведения эксперимента
|
№ опыта |
Х1 |
Х2 |
Х3 |
Y1 |
Y2 |
|
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
|
1 |
-1 |
-1 |
-1 |
0,242 |
1,046 |
|
2 |
1 |
-1 |
-1 |
0,154 |
0,792 |
|
3 |
-1 |
1 |
-1 |
0,604 |
4,668 |
|
4 |
1 |
1 |
-1 |
0,346 |
2,52 |
|
5 |
-1 |
-1 |
1 |
1,05 |
65,88 |
|
6 |
1 |
-1 |
1 |
0,182 |
0,806 |
|
7 |
-1 |
1 |
1 |
1,006 |
66,762 |
|
8 |
1 |
1 |
1 |
0,594 |
4,802 |
|
9 |
-1 |
0 |
0 |
0,646 |
3,8 |
|
10 |
1 |
0 |
0 |
0,286 |
2,088 |
|
11 |
0 |
-1 |
0 |
0,24 |
0,934 |
|
12 |
0 |
1 |
0 |
0,832 |
5,032 |
|
13 |
0 |
0 |
-1 |
0,364 |
3,586 |
|
14 |
0 |
0 |
1 |
0,994 |
2,33 |
В результате анализа данных, полученных в результате предварительного эксперимента, можно сделать вывод, что наиболее эффективным способом измельчения хвои является ударное воздействие на измельчаемое сырье. Таким образом, для реализации активного многофакторного эксперимента выбрана универсальная дробилка.
С целью установления закономерностей влияния управляемых параметров универсальной дробилки на контролируемые параметры измельченной древесной зелени хвойных пород был спланирован и реализован активный многофакторный эксперимент, а для визуализации процесса построены поверхности отклика в виде графических зависимостей (рис. 1).
Из приведенных графических зависимостей видно, что чем выше частота вращения ротора, тем меньше будет размер измельченной хвои. Это обусловлено тем, что при увеличении частоты вращения ротора будет увеличиваться значении линейной скорости ножа, следовательно, и сила с которой будет происходить удар будет увеличиваться. Чем больше размер ячеек сепаратора, тем большего размера будет измельченная хвоя. Уменьшение размера ячеек сепаратора приведёт к тому, что измельчаемое сырье, размеры которого больше размера ячеек сепаратора, не сможет покинуть рабочую камеру установки и будет повторно подвержено ударному воздействию со стороны ножей.
Таким образом, из графических зависимостей можно сделать вывод, что для измельчения хвои любой влажности необходимо, чтобы частота вращения ротора составляла n=2750-3000 об/мин. Дальнейшее увеличение частоты вращения ротора приведет к увеличению потребляемой энергии установки, но при этом качество получаемой продукции повыситься незначительно. Размер ячеек сита b=1-3 мм позволяет получать полуфабрикат для производства хвойно-витаминной муки, не требующий дальнейшего измельчения.
Данные, полученные в ходе реализации эксперимента, будут использованы при разработке конструкции мобильной установки для измельчения древесной зелени хвойных пород. Предлагается разместить на колесной базе отделяюще-измельчающую установку, состоящую из узла отделения и узла измельчения древесной зелени хвойных пород. Узел отделения древесной зелени состоит из корпуса, в котором закреплен вращающийся барабан с шарнирно укрепленными на его обечайке штифтами. Сучья и тонкомерные деревья загружают комлем вперед в приемную часть устройства, после чего они захватываются ребристыми вальцами, которые подают их в рабочую зону барабана. Узел резания состоит из закрепленного на валу ротора. Ротор представляет собой переднюю и заднюю крышки, между которыми пропущены оси. На осях размещаются ступицы с приваренными к ним ножами, расстояние между ножами регулируется с помощью ширины ступиц, к которым приварены ножи. Фиксация осей в роторе осуществляется с помощью концевых шайб. Под ситом измельчителя древесной зелени расположен пакетодержатель и вакуумная-упаковочная машина. Общий вид мобильной установки приведен на рисунке 2.
Принцип работы мобильной установки (рис. 3) заключается в следующем: сырье, представленное в виде веток и тонкомерных деревьев, загружается комлем вперед в приемную часть установки, после чего оно захватываются ребристыми вальцами, которые подают его в рабочую зону узла отделения древесной зелени. Под воздействием штифтов, шарнирно укрепленными на обечайке барабана, хвоя отделяется от веток. При дальнейшем движении очищенные ветки выводятся наружу, а хвоя под действием силы тяжести подается в узел резания. Древесная зелень, попавшая в зону резания, отбрасывается вращающимся ротором, который создает воздушный поток, к стенкам рабочей камеры и увлекается ножами в круговое движение. Ножи, перемещаясь в продуктово-воздушном слое, ударяют частицы своей рабочей поверхностью и измельчают их. Измельченное сырье, размеры которого меньше размера ячеек сита, выводится из зоны резания и по поворотному механизму попадают в мешок, который стоит на весах. Весы рычажно соединены с поворотным механизмом, который определяет в какой из двух мешков будет поступать измельченная хвоя. Через горловину мешка пропущена лента, соединенная с вакуумно-упаковочной машиной. Когда мешок полностью заполнен, поворотный механизм поворачивается и начинается заполнение второго мешка, в это время вакуумно-упаковочная машина первого мешка затягивает ленту, откачивает воздух и запаивает мешок. Полученные мешки транспортируется на верхний склад, откуда направляются к потребителю.
Использование мобильной установки возможно, когда наряду с заготовкой деловой древесины при сплошнолесосечной сортиментной технологии осваиваются лесосечные отходы. Операция измельчения древесной зелени может выполняться на делянке или на погрузочной площадке у лесовозной дороги, или на территории предприятия-потребителя [3].
|
|
|
|
а |
б |
Рис. 1. Зависимость диаметра и длины измельченной хвои от частоты вращения ротора и размера ячеек сита: а – график зависимости диаметра измельченной хвои (d, мм) от частоты вращения ротора (n, об/мин) и размера ячеек сита (b, мм); б – график зависимости длины измельченной хвои (l, мм) от частоты вращения ротора (n, об/мин) и размера ячеек сита (b, мм).
Рис. 2. Общий вид мобильной установки для измельчения древесной зелени: 1 – колесная пара; 2 – сварная рама; 3 отделяюще-измельчающая установка.
Рис. 3. Схема мобильной установки для измельчения древесной зелени: 1 – корпус; 2 – барабан; 3 – штифты; 4 – подающий валец; 5 – вал барабана отделителя древесной зелени; 6 – подшипниковые узлы отделителя древесной зелени; 7 - шкив отделителя древесной зелени; 8 – вал ротора измельчителя; 9 – ротор измельчителя; 10 – передняя крышка ротора; 11 – задняя крышка ротора; 12 – концевые шайбы осей; 13 – ступица ножа; 14 – нож; 15 – контрнож; 16 – ось; 17 – сменное сито; 18 – подшипниковые узлы измельчителя; 19 – поворотный механизм; 20 – вакуумно-упаковочная машина; 21 – мешок; 22 – весы.
Выводы. В ходе выполнения данной работы были спланированы и реализованы два эксперимента: предварительный и основной:
- в результате реализации предварительного эксперимента было установлено, что наиболее эффективный способ измельчения древесной зелени хвойных пород – измельчение в результате ударного воздействия.
- активный многофакторный эксперимент показал, что для измельчения хвои на универсальной дробилке требуется поддерживать частоту вращения ротора на уровне n=2750-3000 об/мин, а размер ячеек сита должен составлять b=1-3 мм.
На основании данных, полученных в результате экспериментов, была представлена конструкция мобильной установки для измельчения древесной зелени хвойных пород на территории лесосеки. Основной особенностью данной установки является то, что она позволяет производить операции по отделению и измельчению хвои от веток и упаковке полученной продукции на территории лесосеки. Конструктивно установка представляет собой совмещенные в одном корпусе узлы по отделению, измельчению древесной зелени и упаковке измельченной хвои, размещенные на колесной базе.
1. Галяветдинов, Н.Р. Переработка древесной зелени с последующим получением полезных продуктов [Текст] / Н.Р. Галяветдинов, А.Е. Воронин // Вестник казанского технологического университета. – 2014. – №5. - С. 138–140.
2. Комплексное использование недревесной продукции леса. [Текст] под общ. ред. Д. А. Телишевского. – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Лесн. пром-сть, 1986. – 261 с.: ил.
3. Лесосечные машины в фокусе биоэнергетики: конструкции, проектирование, расчет [Текст]: учеб. пособие / Сюнёв В. С. [и др.]. – М. : НИИ Леса Финляндии METLA, 2011. – 143 c.
4. Некрасова, В.Б. Получение и применение биокорректоров питания из биомассы дерева [Текст] / В.Б. Некрасова, Т.Г. Безбородова // Известия санкт-петербургской лесотехнической академии. – 2012. – № 198. – С. 190-201.
5. Петренко, Е.В. Эффективность совместной переработки древесной зелени пихты и ели [Текст] / Е.В. Петренко, В.Н. Паршикова, Р.А. Степень // Известия высших учебных заведений. Лесной журнал. – 2013. – № 6(336). – С. 100-106.
6. Сафин, Р.Р. Повышение эффективности экстракции эфирных масел водяным паром [Текст] / Р.Р. Сафин, А.Е. Воронин, Ф.В. Назипова, Л.В. Ахунова // Вестник технологического университета. – 2015. – № 8. – С. 151-154.
7. Сафин, Р.Р. Установка для переработки отходов древесных производств [Текст] / Р.Р. Сафин, Е.Ю. Разумов, А.Е. Воронин, А.Р. Зиатдинов, А.Т. Сабиров // Вопросы современной науки и практики. Университет им. В.И. Вернадского. – 2009. – № 5 (19). – С. 82-87.
8. Солодской, Ф. Т. Способ комплексной переработки хвои [Текст] / Ф. Т. Солодской // Комплексное устойчивое управление отходами. – 2014. – №5. - С. 138–140.
9. Суровцева, Л.С. Эффективность производства древесных топливных гранул [Текст] / Л.С. Суровцева, А.В. Старкова // Известия высших учебных заведений. Леснойжурнал. – 2011. – № 6(324). – С. 76-80.
10. Huttunen, S. Scots pine and the changing environment - needle responses [Text] / S. Huttunen, S. Manninen // Polish botanical studies. – 2005. – № 19. – P. 133-141.
11. Koptsik, G.N. Pine needle chemistry near a large point so2 source in northern Fennoscandia [Text] / G.N. Koptsik, S.V. Koptsik, D. Aamlid // Water, air, & soil pollution. – 2001. – № 1-4 III. – P. 929-934.
12. Li, B. Growth and characterization of pine-needle-shaped gannanorods by sputtering and ammoniating process [Text] / B. Li, H. Zhuang, C. Xue, S. Zhang // Superlattices and microstructures. – 2008. – № 3. – P. 262-267.
