Совершенствование формирования и прессования древесностружечных плит

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Автореферат диссертации на соискание ученой степени

доктора технических наук

Совершенствование формирования и прессования древесностружечных плит

Плотников Сергей Михайлович

Красноярск - 2009

Работа выполнена в ГОУ ВПО «Сибирский государственный технологический университет» и в Дрезденском техническом университете

Научный консультант

доктор технических наук, профессор

Пантелеев Василий Иванович

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Цветков Вячеслав Ефимович

доктор технических наук, профессор Сергеевичев Владимир Васильевич

доктор технических наук, профессор Ермолович Александр Геннадьевич

Ведущая организация: ЗАО «ВНИИДРЕВ», г.Балабаново

Защита состоится 15 мая 2009 г. в 10.00 на заседании диссертационного совета Д.212.253.04 при ГОУ ВПО «Сибирский государственный технологический университет» по адресу: 660049, г. Красноярск, пр. Мира, 82

Отзывы (в двух экземплярах с заверенными подписями) просим направлять ученому секретарю диссертационного совета.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО «Сибирский государственный технологический университет».

Автореферат разослан _________________ 2009 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

канд. техн. наук., доцент Мелешко А. В.

1. Общая характеристика работы

Актуальность. При наличии самого большого в мире и относительно дешевого природного запаса древесины Россия в настоящее время обеспечивает лишь 5% мирового объема производства древесностружечных плит (ДСтП). Экспорт ДСтП практически отсутствует, а производства плит из крупноразмерной ориентированной стружки (OSB) просто нет. Вырабатываемые отечественными производителями ДСтП неконкурентны на мировом рынке как по ценам, так и по качеству, технический уровень оборудования невысок, а многие линии морально устарели. В связи с интеграцией России в международный рынок и, соответственно, со снижением пошлин на импортную плитную продукцию, отечественным производителям плит следует уделять больше внимания качеству выпускаемой продукции в связи с возрастающей конкуренцией. Этому способствует правительственная программа по внедрению передовых наукоемких технологий в сфере глубокой переработки древесины.

Совершенствование технологии производства ДСтП, включая оптимизацию структуры плит, ориентацию древесных частиц, возможности устранения покоробленности плит, а также вопросы повышения производительности прессового оборудования, изучалась в таких организациях и фирмах, как ВНИИДрев, МЛТИ, СПбГЛТА, СибТИ, ЦНИИФ, УкрНИИМОД, Дрезденский ТУ, Siempelkamp, Diffenbacher. Большой вклад в эти исследования внесли российские ученые А.А Поздняков, О.Е. Поташев, Ю.Г. Лапшин, В.В. Гамов, Н.П. Анисова, В.П. Жуков, А.Ф. Базанов, Н.И. Остапенко, а также зарубежные исследователи Е. Рlath. R. Keilwerth, H.-A. May, P. Niemz, A. Hдnsel, E. Kehr, R Scherfke, E. Dobrowolska, Н. Turner, S. Dueholm и др.

Данные исследования затрагивали выявление рациональных размеров древесных частиц, формирование профиля плотности плит. Однако для наиболее распространенных сегодня трехслойных плит вопрос рационального соотношения слоев, которое позволило бы максимизировать основной физико-механический показатель плит - предел прочности при статическом изгибе, остается открытым. Не решена и проблема автоматического поддержания данного соотношения формирующими машинами, а также проблемы изготовления ДСтП с несимметричной структурой. В настоящее время отсутствуют теоретические положения для модернизации современных ориентирующих устройств, используемых в производстве плит OSB, в частности, нет методики расчета поступательного и вращательного движения ориентирующих органов механических ориентирующих устройств, не решены многие конструктивные вопросы данного оборудования. По-прежнему имеет место такой дефект плит, как покоробленность. Традиционные способы уменьшения покоробленности трудоемки и не поддаются автоматизации. Должного внимания не уделено вопросам сокращения вспомогательного времени в цикле прессования. В то же время за счет данного параметра возможно повышение производительности оборудования без больших капитальных затрат. Практически не рассмотрены также возможности получения на традиционном оборудовании декоративных плит с заданным ограниченным изгибом, которые могли бы быть выгодно использованы в мебельной промышленности и строительстве.

Цель работы - разработка теоретических основ и технических решений, направленных на повышение качества и эффективности производства древесностружечных плит.

Объекты исследования - технологические процессы производства древесностружечных плит.

Предмет исследования - физические явления, характеризующие технологические процессы формирования стружечного ковра и прессования древесностружечных плит.

Задачи исследований:

1. Анализ существующих способов и выявление возможностей улучшения основного механического показателя трехслойных плит - прочности на статический изгиб, разработка модели рационального соотношения слоев по сечению плиты и принципов управления формирующей машиной, реализующих данную модель.

2. Систематизация способов ориентации древесных частиц при формировании стружечного ковра, установление функциональных связей между технологическими параметрами и степенью ориентации частиц, развитие основ построения автоматических систем оптимальной ориентации частиц.

3. Разработка комплекса принципиально новых механических ориентирующих устройств, улучшающих процесс и качество ориентации древесных частиц.

4. Развитие теоретических положений по оптимизации смыкания плит большеформатных прессов и построению автоматических систем смыкания, обеспечивающих минимальную продолжительность смыкания плит при ограниченном скоростном движении среды из межплитного пространства.

5. Исследование динамики коробления древесностружечных плит непосредственно после выгрузки из пресса.

6. Создание активных способов управления покоробленностью древесностружечных плит и разработка на их основе автоматических систем устранения покоробленности в прессах периодического и непрерывного действия.

7. Разработка основ изготовления на традиционном оборудовании асимметричных древесностружечных плит и плит с конструктивно заданной кривизной поверхности.

Методы исследования, достоверность и обоснованность результатов. Методы математического моделирования технологических процессов, экспериментальные методы испытания древесных частиц и плит на специально разработанных стендах, методы планирования эксперимента, статистические методы обработки результатов экспериментов, методы теории автоматического управления. Достоверность теоретических решений обеспечивается корректным использованием математического аппарата и удовлетворительной сходимостью полученных результатов с экспериментальными данными.

На защиту выносятся:

- разработанные теоретические положения: модель трехслойной плиты, учитывающая изменение модулей упругости слоев; модель, описывающая поведение древесных частиц в механическом ориентирующем устройстве; математическое описание движения среды в межплитном пространстве при смыкании большеформатных прессов;

- результаты экспериментальных исследований коробления ДСтП, происходящего в результате погрешностей технологических параметров, а также закономерности изменения этого коробления:

- предложенные на основе динамических моделей коробления активные способы управления покоробленностью ДСтП;

- предложенные на уровне изобретений автоматические системы:

? формирования стружечного ковра с рациональной структурой,

? оптимальной ориентации древесных частиц,

? оптимального смыкания плит пресса,

? управления покоробленностью ДСтП;

- комплекс новых механических устройств для ориентации древесных частиц;

- обоснование изготовления ДСтП с асимметричной структурой и плит в виде пологих оболочек заданной конфигурации, производимых на существующем оборудовании.

Научной новизной обладают:

1. Геометрическая модель многослойной плиты и разработанный на ее основе способ формирования многослойного стружечного ковра для получения ДСтП оптимальных по прочностным показателям.

2. Построенная на физических законах модель поведения древесных частиц в механических ориентирующих устройствах и способы ориентации древесных частиц, позволяющие минимизировать угол разброса частиц в стружечном ковре.

3. Модель поведения среды при смыкании плит пресса и способ, позволяющий минимизировать продолжительность смыкания большеформатных прессов периодического действия.

4. Динамическая модель коробления плиты и полученная на ее основе теоретическая база для разработки способов управления покоробленностью ДСтП за счет активного воздействия на технологические параметры в процессе изготовления плит.

Практическая значимость работы. Разработанные в диссертации теоретические положения и методы являются базой для проектирования автоматических систем:

- повышающих качество ориентации и прочность на изгиб изготовляемых ДСтП;

- ускоряющих смыкание крупноформатных прессов;

- управляющих покоробленностью плит новыми активными методами.

Такие системы позволят улучшить качество продукции, повысить производительность оборудования без существенного изменения технологии и больших капвложений, а также позволят получать на традиционном оборудовании такие новые материалы, как асимметричные плиты для горизонтальных несущих элементов и плиты в виде пологих оболочек.

Реализация результатов работы. Результаты работы используются в ООО «Красплитпром», в учебном процессе Московского государственного университета леса по дисциплинам «Технология древесных плит» и «Автоматизация технологических процессов деревообрабатывающих производств», в Санкт-Петербургской государственной лесотехнической академии по направлениям «Технология деревообработки», «Автоматизация технологических процессов и производств», в Сибирском государственном технологическом университете по дисциплинам «Технология древесных плит и пластиков» и «Технология клееных материалов и древесных плит».

Апробация работы. Основные положения и результаты работы доложены на ежегодных научно-технических конференциях СТИ и СибГТУ (Красноярск, 1989-2007), на 7-й и 8-й научно-технических конференциях «Научно-технический прогресс в лесной и деревообрабатывающей промышленности» (Киев, 1989 и 1991 гг.), на 2-м международном евразийском симпозиуме «Деревообработка: технологии, оборудование, менеджмент XXI века» (Екатеринбург, 2007 г.), на международных научно-технических конференциях «Актуальные проблемы лесного комплекса» (Брянск, 2006-2008 гг.).

Публикации. По теме диссертации опубликованы 54 научные работы, в том числе 1 монография, 15 статей, рекомендуемых ВАК, 27 авторских свидетельств и патентов на изобретения, 2 статьи в зарубежных изданиях.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 6 глав, заключения, библиографического списка, включающего 131 наименование, и 2 приложений. Работа изложена на 292 листах машинописного текста, содержит 100 рисунков, 14 таблиц.

2. Содержание работы

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цели и задачи исследования, дана общая характеристика работы, показана научная новизна и практическая ценность работы, сформулированы основные положения работы, выносимые на защиту.

В первой главе работы проводится анализ резервов улучшения основного механического показателя ДСтП - прочности на изгиб без увеличения расхода связующего. Основные возможности в этом направлении: трехслойная плита; оптимальное формирование соотношения внутреннего и наружных слоев исходного стружечного ковра; стабилизация насыпной массы слоев; наиболее полная ориентация наружных слоев.

Современные формирующие машины настраивают на определенную толщину или плотность формируемых стружечных ковров, соотношение внутреннего и наружных слоев в которых имеет постоянное, заранее заданное значение, не зависящее от состава и качества исходного сырья. Это приводит к тому, что изготовляемая ДСтП не обладает максимально возможной прочностью на изгиб. Данный параметр можно значительно улучшить за счет подбора рационального соотношения слоев стружечного ковра. Такая оптимизация производилась на основе моделей сечения плиты.

Исходя из моментов сопротивления сечений плиты при одинаковом количестве стружечно-клеевой смеси в единице объема, получена степень увеличения предела прочности k₀ рационально сформированной трехслойной плиты по отношению к однослойной плите той же средней плотности:

, (1)

где б - коэффициент соотношения слоев, показывающий, какую часть толщины плиты занимает внутренний слой;

- коэффициент, характеризующий соотношение модулей упругости наружных и внутреннего слоев;

Е_н, Е_в - модули упругости наружных и внутреннего слоев плиты.

Величина в изменяется от 1 (однослойный ковер без фракционирования) до 2,5 и более (трехслойный ковер) и зависит от породы исходной древесины, количества связующего в слоях, формы, размеров и степени ориентации стружки. Соотношение толщин наружных и внутреннего слоев в трехслойных плитах с обычной поверхностью рекомендуется принимать постоянным и равным 1:4:1 (доля наружных и внутреннего слоев составляет соответственно 33 и 67 %), а для трехслойных плит с мелкоструктурной поверхностью - 1:3:1 (40 и 60 %). Однако данное соотношение весьма приближенное и, с учетом непрерывного изменения технологических параметров, далеко не всегда оптимально.

Для оптимизации структуры трехслойной плиты по критерию ее прочности на изгиб при различных величинах в найдены такие значения б, при которых величина k₀ максимальна. Результаты максимизации выражения (1) представлены на рисунке 1.

Рисунок 1 - Зависимость повышения предела прочности плиты от соотношения слоев б и соотношения модулей упругости в

Соотношение масс стружки в слоях ковра можно измерить косвенным способом. В формирующих машинах с объемным дозированием и контролем стружечной массы толщина насыпаемого стружечного ковра обратно пропорциональна его плотности. Модуль упругости пропорционален плотности плиты, поэтому отношение модулей упругости наружных и внутреннего слоев изготовляемой плиты можно косвенно определить через соотношение толщин соответствующих слоев формируемого ковра:

, (2)

где с_н, с_в - плотности наружных и внутреннего слоев плиты;

с_нк, с_вк - насыпная плотность стружечной массы наружных и внутреннего слоев исходного ковра;

h_нк, h_вк - толщина наружных и внутреннего слоев исходного ковра.

Условие (2) позволяет установить, как в процессе формирования трехслойного стружечного ковра должна изменяться его структура, чтобы готовая плита имела максимальную прочность на изгиб, независимо от изменения состава сырья. На основании выражений (1) и (2) разработаны системы оптимального формирования стружечного ковра. На рисунке 2 представлена система автоматического управления (САУ) со стационарным размещением разравнивающих вальцов, в которой расчетное соотношение слоев задается за счет скоростей соответствующих питающих транспортеров. Такая система требует оперативного измерения только двух величин: масс внутреннего и одного из наружных слоев формируемого ковра.

Рисунок 2 - САУ формированием трехслойного ковра: 1- формирующий транспортер; 2,3 - питающие транспортеры наружных слоев; 4 - питающий транспортер внутреннего слоя; 5-7 - электроприводы; 8-10 - разравнивающие вальцы; 11, 12 - измерители массы; 13, 14 - усилители; 15 - блок деления; 16 - блок нелинейности; 17 - управляемый блок деления

В первой главе представлены также разработанные автором системы, автоматически стабилизирующие массу слоев стружечного ковра, позволяющие снизить колебания плотности и разнотолщинность изготовляемых плит.

Во второй главе диссертационной работы выполнен анализ существующих способов ориентации древесных частиц, разработаны основы расчета и проектирования наиболее распространенных в производстве механических ориентирующих устройств: дисковых и использующих гибкие и жесткие направляющие органы, соседние ветви которых движутся в противоположных направлениях.

Общее движение древесной частицы в ориентирующем устройстве разделено на падение под действием силы тяжести и на вращательное движение, придаваемое частице направляющим органом.

На основе теоретических положений получено выражение скорости падения частицы:

.(3)

В частном случае при V₀ = 0 эта скорость определяется выражением гиперболического тангенса и асимптотически стремится к значению :

,(4)

где ;

g - ускорение свободного падения;

С_х - коэффициент лобового сопротивления;

с_В - плотность воздуха;

h, с_д - соответственно толщина частицы и плотность древесины.

В работе проведено экспериментальное определение коэффициента С_х плоских древесных частиц. Установлено, что с увеличением толщины частиц значение коэффициента С_х несколько падает, причем при изменении толщины частиц в 5 раз значение С_х изменяется только на 11%. Для плоских частиц, применяемых в производстве ДСтП, коэффициент лобового сопротивления можно принять равным 1,83. При этом погрешность расчетов, независимо от толщины частиц, не превысит 5,5 %. Длина и ширина частиц практически не оказывают влияние на величину коэффициента лобового сопротивления.

На основе теоретических положений получено выражение угла разворота частицы за время t ее движения от направляющего органа до поверхности стружечного ковра:

,(5)

где М - момент сопротивления воздуха, действующий на частицу;

J - момент инерции частицы;

- начальная угловая скорость частицы;

V - скорость движения направляющего органа;

h_н - шаг ориентации (расстояние между соседними ветвями направляющего органа).

Считая, что после отрыва от ветвей направляющего органа частица должна развернуться, скомпенсировав начальный угол схода, определяем оптимальную скорость перемещения направляющего органа, при которой средний угол ориентации частиц в ковре б > 0:

, (6)

где 0,0193 - коэффициент, имеющий размерность ;

Н_к -толщина стружечного ковра;

Н₀ - расстояние от плоскости направляющего органа до поверхности стружечного ковра;

л = h_н/l - коэффициент, характеризующий отношение шага ориентации к длине частицы.

Зависимость оптимальной скорости перемещения направляющего органа от длины древесных частиц и шага ориентации представлена на рисунке 3.

Рисунок 3 - Зависимость оптимальной скорости перемещения направляющего органа от длины древесных частиц при шаге ориентации: 1 - 0,02 м; 2 - 0,04 м; 3 - 0,06 м; 4 - 0,08 м

Для дискового ориентирующего устройства выведено выражение, связывающее скорости вращения соседних дисков щ₁, щ₂, их диаметр D и шаг ориентации h_н на определенном участке ориентирующего устройства:

.(7)

Реализация данного выражения позволяет минимизировать угол укладки стружки в дисковых (валковых) ориентирующих устройствах.

Используемые в производстве ориентирующие устройства имеют неизменный шаг ориентации h_н. В то же время длина стружки среднего слоя меняется в широких пределах (от 20 до 150 мм и более при изготовлении плит OSB). Переход на другой вид плит связан с техническими проблемами именно на этапе ориентирования стружки. Поэтому возникает задача расширения диапазона длины одновременно ориентируемых частиц и гибкой перестройки ориентирующих ячеек на соответствующую длину частиц.

Эту задачу позволяет решить разработанное автором устройство, в котором направляющие органы расположены на двух горизонтальных уровнях и имеют разные скорости перемещения. Оперативно перестраиваться на работу с частицами разной длины позволяют устройства с переменным шагом ориентации. Конструкция одного из вариантов в сжатом состоянии представлена на рисунке 8. Планки, на которых размещены ролики направляющего органа, образуют многоугольник со взаимно параллельными противоположными сторонами, причем возможна установка планок под углом от г_min = 30^о до г_max = 150^о, при этом шаг ориентации изменяется в 3,73 раза. Данное устройство позволяет также осуществлять эффективную очистку участка ориентации от нестандартной крупноразмерной стружки.

Замкнутые САУ скоростью направляющего органа, предназначенные для минимизации угла ориентации стружки б, могут быть построены по принципу компенсации внешних возмущений и по принципу отклонения (рисунок 4). Здесь U_V - задающий сигнал, ?U - сигнал рассогласования, U_б - сигнал обратной связи по углу б.



Рисунок 4 - Структура САУ оптимизацией скорости направляющего органа: а - принцип компенсации внешних возмущений; б - принцип отклонения

Возмущающими воздействиями следует считать длину ориентируемых частиц l и толщину формируемого стружечного ковра Н_к, которая может меняться до 20-кратной толщины изготовляемой плиты. Информация об этих воздействиях поступает в систему, обрабатывается в соответствии с моделью, и САУ обеспечивает поддержание скорости на заданном уровне, при котором угол ориентации стружки минимален.

Структурная схема ориентирующего устройства, реализующего математическую модель изменения скорости по формуле (6), построенная по принципу компенсации возмущений, представлена на рисунке 5.

Рисунок 5 - Структурная схема САУ скоростью направляющего органа, реализующая принцип компенсации возмущений: 1 - направляющий орган; 2 - ролики; 3 - приводной ролик; 4 - электропривод; 5 - датчик расхода стружечной массы; 6 - детектор, 7 - датчик толщины стружечного ковра; 8, 9, 10, 11 - блоки задания; 12 - блок вычитания; 13 - блок извлечения корня; 14, 15 - блоки деления; 16 - блок нелинейности; 17 - блок умножения; 18 - переключатель; 9 - суммирующий усилитель

Устройство снабжено датчиком 5 расхода древесной массы, выполненным в виде датчика ИРДМ-1, размещенным в потоке древесных частиц, и датчиком 7 толщины стружечного ковра.

Изменяя скорость перемещения направляющего органа, можно менять средний угол ориентации стружки б без изменения положения ориентирующего устройства. При этом возможно ориентировать стружку перпендикулярно направлению движения формирующего транспортера, т.е. использовать однотипные ориентирующие устройства для взаимно-перпендикулярной ориентации стружки в различных слоях ковра. Зависимость среднего угла ориентации частиц от скорости V перемещения направляющего органа для нечетных ячеек имеет вид:

,(8)

где б_нач - угол схода частиц с направляющего органа;

V - текущая скорость перемещения направляющего органа;

V_опт - оптимальная скорость перемещения направляющего органа, определяемая из выражения (6).

Четные ячейки ориентируют частицы на такую же положительную величину. Значение , т.е. угол ориентации частиц, устанавливают при помощи блока 11 задания (рисунок 5).

Повысить качество ориентации можно, построив ориентирующее устройство по принципу отклонения (рисунок 7). При этом необходимо оперативное измерение угла б, которое может быть осуществлено с помощью специальных измерительных устройств, построенных на базе оптических и оптоэлектронных. При введении обратной связи по целевой функции (углу ориентации б) не требуется введения в САУ математической модели процесса.

Рисунок 7 - Структурная схема САУ скоростью направляющего органа: 5 - блок задания; 6 - генератор ультразвуковых колебаний; 7, 8 - излучатели; 9, 10 - приемники; 11, 12 - детекторы; 13, 14 - дифференцирующие усилители; 15 - регулятор

Точку пересечения лучей датчиков 7 и 8 располагают на расстоянии, кратном (ih_н+h_н/2), где i - номер ветви направляющего органа.

С увеличением длины подаваемой на формирование стружки угол ее схода с ветвей гибкого органа б_нач уменьшается, стружка в ковре оказывается «переразвернутой», при этом угол между осью стружки и направлением излучения излучателя 7 |б₁| становится больше угла между осью стружки и направлением излучения излучателя 8 |б₂| (рисунок 7). САУ снижает скорость перемещения направляющего органа, угол разворота стружки также уменьшается, стремясь к нулевому. Оптимальная скорость перемещения направляющего органа автоматически устанавливается также при изменении других возмущающих факторов: высоты стружечного ковра, толщины или плотности подаваемой стружки и т.д.

В работе установлено рациональное отношение шага ориентации к длине ориентируемой стружки: h_н/l = 0,5. С уменьшением данного отношения повышается вероятность засорения ориентирующего устройства, а с увеличением - снижается доля разворачиваемых частиц. При h_н > l частицы либо вообще не попадают на ветви направляющего органа, либо падают только на одну ветвь, и их ориентирования не происходит.

Устройства с переменным шагом ориентации позволяют ориентировать максимальное количество древесных частиц без засорения направляющего органа. Схема системы установки рационального шага направляющего органа представлена на рисунке 8.

Рисунок 8 - Структурная схема САУ шагом направляющего органа: 1 - планки; 2 - ролики; 3 - направляющий орган; 4 - окно; 5 - приводные ролики; 6 - датчик расхода древесной массы; 7 - датчик толщины ковра; 8 - датчик перемещения штока; 9 - амплитудный детектор; 10 - фильтр; 11 - блок умножения; 12 - блок извлечения корня; 13 - масштабирующий усилитель; 14 - суммирующий усилитель; 15 - позиционный электропривод; 16 - шток

Здесь длина ориентируемых частиц определяется косвенным путем через массу частиц:

l = ,(9)

где m - масса частицы;

с_д - плотность древесины частицы;

к - коэффициент пропорциональности размеров частицы. Например, при соотношении длины, ширины и толщины частицы 100:10:1, к = 10^-3.

Плотность древесины частицы с_д также определяется косвенным путем. В современных формирующих машинах с увеличением плотности древесины стружки автоматически снижается количество подаваемого стружечного материала, т.е. снижается толщина формируемого стружечного ковра при постоянстве его массы. Поэтому плотность древесины стружки с_д обратно пропорциональна толщине стружечного ковра Н_к, которая измеряется с помощью распространенных датчиков толщины.

В диссертации исследована погрешность ориентации частиц. Считая, что угол ориентации б = щ_нач? t [рад], где t - время падения частицы, а щ_нач - ее начальная скорость разворота, для рационального значения шага ориентации получим:

V = 1,81V,(10)

где Н - высота падения частицы.

Здесь коэффициент 1,81 имеет размерность .

Таким образом, погрешность угла ориентации б определяется погрешностью автоматического измерения высоты падения частиц ?Н, погрешностью длины частиц ?l и погрешностью поддержания скорости ?V системы оптимизации скорости направляющего органа. Для определения вклада данных погрешностей в погрешность угла б найдены функции чувствительности SV к параметрам H, l и V.

, (11)

, (12)

, (13)

Поскольку вероятность наихудшего сочетания данных погрешностей мала, то погрешность угла ориентации ?б определяется как среднеквадратичная:

,(14)

где , , - соответственно относительные погрешности длины ориентируемой стружки, поддержания скорости и определения высоты падения стружки, %.

После подстановки в (13) выражений (10) - (12), получим формулу относительной погрешности угла ориентации, %:

.(15)

Считая, что при хаотичной укладке стружки в ковер средний угол ее ориентации составляет 45⁰ и приняв данное значение за 100%, можно получить выражение абсолютной погрешности угла ориентации, град.:

.(16)

Как видно из (15), вклады погрешностей поддержания скорости и длины стружки в погрешность угла ориентирования равноценны, а погрешность определения высоты полета стружки сказывается в меньшей мере.

Для проверки полученных выражений был проведен следующий эксперимент. Древесную стружку подавали на направляющий орган ориентирующего устройства, который перемещали с различными скоростями. Из ориентированной таким образом стружки на формирующих поддонах образовывали однослойные стружечные пакеты, которые прессовали. Была изготовлена партия однослойных ДСтП толщиной 10 мм из сосновых стружек со средней длиной 60 мм. Высота размещения направляющего органа над формирующим транспортером составляла 0,3 м, шаг ориентации - 0,025 м. Средняя толщина формируемого ковра составляла 0,044 м. Оптимальная скорость перемещения направляющего органа рассчитывалась по формуле (6) и составила 0,035 м/с. Направляющий орган перемещали со скоростями V = 0,020 м/с, 0,035 м/с и 0,050 м/с.

Измерение углов отклонения частиц относительно направления ориентации производилось для всех полностью видимых частиц на верхней и нижней пластях плит на произвольных участках плит площадью 200•200 мм при помощи транспортира. Средневзвешенный угол ориентации б_ср определялся как сумма произведений средних углов отклонения б_i на долю частиц г_i на участке:

.(17)

Усредненные результаты измерений представлены в таблице 1.

Таблица 1 - Отклонение частиц длиной 0,06 м

Пределы отклонения частиц от оси ориентации, град.	Средний угол отклонения бi, град.	Доля частиц на участке гi, %
		V= 0,020 м/с	V=0,035 м/с	V=0,050 м/с
0-9	4,5	67	13	8
10-19	14,5	16	61	32
20-29	24,5	12	13	38
30-39	34,5	3	8	12
40-50	45	2	5	10
	Средний угол ориентации бср, град.
	7,8	17,6	23,0

Полученные экспериментальные данные в целом подтверждают теоретические расчеты.

Погрешность установки шага направляющего органа ?h_н, обеспечиваемая САУ (рисунок 8), определяется погрешностями автоматического измерения толщины стружечного ковра ?Н_к и массы частиц ?m. Относительная погрешность установки шага направляющего органа, %:

.(18)

Для рационального проектирования ориентирующих устройств необходимо установить оптимальное число ветвей направляющего органа, т.к. завышение данного числа усложняет устройство, а занижение - не позволяет проводить качественную ориентацию стружки. В диссертации дана методика определения количества ветвей направляющего органа m исходя из производительности ориентирующего устройства Q, кг/с:

. (19)

где b - средняя ширина древесных частиц;

В₀ - ширина окна ориентирующего устройства.

Третья глава работы посвящена оптимизации процесса смыкания большеформатных прессов для изготовления древесно-стружечных плит.

При изготовлении древесных плит и других изделий из материалов с мелкоструктурной поверхностью интенсивность смыкания прессов периодического действия ограничена скоростью воздушного потока, выходящего из пространства между плитой пресса и поверхностью прессуемого материала. Данный поток способен разрушить не только мелкоструктурную поверхность стружечного пакета, но и сам пакет. Чем больше формат плит пресса, тем больше вытесняемый объем среды и сильнее выходящий из-под плиты поток. Поэтому время смыкания прессов приходится увеличивать, что не только снижает производительность оборудования, но и ухудшает качество изготовляемой плиты, т.к. нижняя сторона стружечного пакета (до прессования) и готовой плиты (после прессования) контактирует с горячей поверхностью прессующей плиты дольше, чем верхняя сторона. Основным последствием такой тепловой несимметрии является покоробленность готовой плиты.

На основании теоретических положений получено дифференциальное уравнение, описывающее процесс выхода воздушной среды из межплитного пространства с верхней плитой произвольной формы, поверхность которой описывается некоей функцией f(x, z):

,(20)

где z₀, x₀- текущие координаты соответственно по длине и ширине плиты;

f(x₀,z₀) - расстояние от верхней поверхности прессуемого материала до прессующей плиты в точке x₀, z₀.

v_y(t) - скорость смыкания пресса;

v_x(t) - скорость выхода воздушной среды из межплитного пространства.

В частном случае, когда прессующие плиты имеют плоскую поверхность площадью S, а подвижная плита перемещается с постоянной скоростью v_y(t) = v₀, выражение скорости выхода среды имеет вид (рисунок 9а):

,(21)

где - продолжительность смыкания прессующих плит;

h₀ - расстояние от прессующей плиты до поверхности прессуемого материала в раскрытом прессе;

S - площадь прессующей плиты.

Продолжительность смыкания пресса может быть значительно сокращена, если скорость выхода воздушной среды поддерживать на предельно допустимом уровне v_x,доп в течение всего периода смыкания, изменяя v_y(t) по экспоненциальной зависимости (рисунок 9б):

,(22)

где v_у,доп - предельно допустимая скорость движения прессующей плиты в момент ее соприкосновения с поверхностью прессуемого материала (скорость схлопывания);

t_сэ - продолжительность смыкания пресса при перемещении подвижной плиты по экспоненциальной зависимости.

Рисунок 9 - Диаграммы скорости перемещения плиты V_y и скорости выдувания воздуха V_x: а - равномерное перемещение; б - экспоненциальное перемещение

Скорость выхода воздушной среды из межплитного пространства зависит от объема этого пространства и площади, через которую выходит среда. Отношение площади плит пресса к их периметру:

,(23)

где L, B - соответственно длина и ширина плит пресса.

Коэффициент б определяет скорость выхода среды V_x, которая, помимо скорости смыкания V_y и текущего значения y, зависит также от конфигурации плит пресса. Максимальное значение б имеет при B = L, т.е. при квадратной форме прессующих плит, б_max = 0,25.Чем сильнее площадь плит пресса отличается от квадрата, т.е. чем сильнее вытянуты плиты, тем меньше значение б. Введя коэффициент длины, представляющий собой отношение длины плиты пресса к ее ширине , получим:

,(24)

где y - текущее расстояние между верхней плитой пресса и поверхностью стружечного брикета.

На рисунке 10 представлена зависимость скорости выхода среды V_x из межплитного пространства в зависимости от площади плит пресса S и коэффициента длины n для скорости смыкания V_y = 0,04 м/с и расстояния между плитой пресса и поверхностью стружечного брикета y = 0,02 м.

Рисунок 10 - Зависимость скорости выдувания от площади прессующих плит и коэффициента длины

Наиболее высокую скорость выхода воздушной среды V_x имеют прессы большой площади, близкой к квадрату (n = 1). Чем меньше ширина пресса (при той же площади), тем быстрее можно производить его смыкание при той же скорости выдувания воздушной среды V_y.

Реализовать зависимость смыкания пресса, близкую к экспоненциальной, можно, основываясь на различных принципах. Один из них - введение отрицательной обратной связи по скорости среды V_x. При этом не требуется специальных устройств для контроля толщины исходных стружечных пакетов, т.к. значение V_x автоматически зависит от толщины прессуемого материала.

Структурная схема автоматической системы смыкания одноэтажного пресса, основанная на данном принципе, представлена на рисунке 11. Выходным сигналом анемометра, установленного непосредственно у края плиты пресса, регулируется скорость его смыкания V_y.

Рисунок 11 - Структурная схема САУ смыканием одноэтажного пресса, реализующая принцип обратной связи по V_x: 1- подвижная плита; 2 - неподвижная плита; 3 - гидроцилиндр; 4 - анемометр; 5 - усилитель; 6 - клапан наполнения

Второй принцип смыкания пресса основан на использовании задающей экспоненты, получаемой, например, при разряде конденсатора. Структурная схема САУ, реализующая данный принцип, представлена на рисунке 12. Конденсатор С в данной схеме заряжается на напряжение, пропорциональное толщине исходного стружечного пакета, а интенсивность его разряда определяется сопротивлением R. Кривая скорости подвижной плиты пресса повторяет кривую разряда конденсатора С.



Рисунок 12 - Структурная схема САУ смыканием одноэтажного пресса, работающая по принципу задающей экспоненты: 1 - неподвижная плита; 2 - подвижная плита; 3 - гидроцилиндр; 4 - клапан наполнения; 5 - усилитель; 6 - датчик толщины пакета; 7 - блок запоминания; 8 - блок экспоненциального сигнала

Продолжительность смыкания и размыкания пресса можно снизить также за счет уменьшения просвета между прессующими плитами при загрузке пресса. В работе предложена САУ смыканием многоэтажного пресса, позволяющая раскрывать каждый этаж на определенную высоту, зависящую от толщины исходного стружечного пакета.

Покоробленность плит является распространенным и трудно устранимым дефектом древесностружечных плит. Даже при правильном складировании плит она образуется в готовой плите вследствие комплекса неизбежных погрешностей производства: подсыхания верхней поверхности стружечного ковра при транспортировке, просеивания мелких фракций внутрь ковра, более раннего отвержения связующего нижних слоев при загрузке стружечных пакетов в пресс, асимметрии температур верхней и нижней прессующих плит и т.д. Коробление, вызванное перечисленными причинами, происходит сразу после выгрузки плиты из пресса в течение нескольких минут до ее остывания и уравновешивания остаточных напряжений. После этого процесс коробления можно считать завершенным.

Исследование коробления плит непосредственно после выгрузки их из пресса производилось на специальном стенде (рисунок 13).



Рисунок 13 - Стенд для измерения коробления плит: 1,2,3 - шкальные микрометры; 4 - опоры

На коробление неостывшей плиты влияют не только внутренние напряжения, но и такие нежелательные факторы, как собственная масса образца, масса измерительных приборов, разность температур на верхней и нижней поверхностях неостывшей плиты, т.к. при горизонтальном положении образца теплоотвод с его верхней поверхности значительно лучше, чем с нижней. Чтобы избавиться от вызванных данными факторами искажений результатов, были проведены дополнительные измерения.

Покоробленность установленной на опорах плиты в прямом и в перевернутом положениях оценивалась по выражениям:

, (25)

,(26)

где f₁, f₂ и f₃ - показания микрометров;

?f_В, ?f_Н - деформация соответственно в прямом и перевернутом направлениях, вызванная асимметрией структуры;

F - деформация образца, обусловленная нежелательными факторами.

Конечное значение покоробленности (стрелы прогиба) вычислялось как среднее арифметическое:

.(27)

Таким образом, деформация F исключалась из результатов.

Было проведено 4 варианта (серии) экспериментов, уровни варьирования факторов в которых представлены в таблице 2.

Таблица 2 - Уровни варьирования факторов

Номер варианта	Варьируемый параметр	Условное обозн.	Уровни варьирования
1	Соотношение масс верхнего и нижнего наружных слоев		1,4	2,2	3,0
2	Соотношение влажности наружных слоев: абсолютные значения, % / % разность абсолютных значений, %	?U	23/17 6	26/14 12	29/11 18
3	Соотношение воды на наружных поверхностях: абсолютные значения, % / % разность абсолютных значений, %	?W	33/ 67 34	16 / 83 67	0 / 100 100
4	Соотношение температур плит пресса: абсолютные значения, град./ град. разность абсолютных значений, град.	?T	175/150 25	190/135 55	205/120 85

Эксперименты проводились по двухфакторному плану Бокса. Второй фактор в каждом варианте - плотность плит - также имел три уровня варьирования: 0,5, 0,7 и 0,9 г/см³. Варианты 1 и 2 (асимметрия масс и послойной влажности) проводились для трехслойных плит с соотношением слоев 1:3:1, а варианты 3 и 4 (асимметрия поверхностной влажности и температуры прессования) - для однослойных плит.

Измерения показали, что процесс коробления плит протекает во времени по экспоненциальному закону, который можно описать выражением:

,(28)

где ?f_? - конечное (установившееся) значение покоробленности при t = ?;

t - время между выгрузкой плиты из пресса и моментом измерения ее стрелы прогиба, мин;

Т_к - постоянная времени коробления.

Измерения также показали, что процесс коробления плит, независимо от их плотности и вызвавших коробление причин, заканчивается приблизительно за одно и то же время. Период времени от выгрузки плиты из пресса до момента, когда стрела прогиба плиты составит 0,632• ?f_?, является постоянной Т_к. Анализ динамики деформации плит показал, что постоянная времени коробления Т_к составляет в среднем 10,5 мин (погрешность 5%) при температуре выгруженной из пресса плиты 170^оС и температуре окружающей среды 25^оС.

В общем случае стрелу прогиба плиты, мм, можно выразить регрессионным уравнением вида:

, (29)

где x₁ - варьируемый параметр;

x₂ - плотность плиты, г/см³.

Процентные значения массы определенности регрессионных уравнений (26) в различные моменты измерения величины коробления представлены в таблице 3, значения коэффициентов уравнений регрессии (29) при измерении покоробленности через 20 мин после выгрузки плиты - в таблице 4.

Таблица 3 - Масса определенности уравнений регрессии, %, в разные моменты измерения коробления плиты

Вариант	Время между выгрузкой плиты из пресса и измерением ее покоробленности, мин
	5	10	20	30
1	85	86	86	86
2	34	89	90	92
3	-	12	86	98
4	-	-	73	79

Таблица 4 - Численные значения коэффициентов уравнений регрессии

Вариант	Коэффициенты	Стандартное отклонение, мм
	а0	а1	а2
1	0,521	0,925	0,662	0,016
2	0,067	0,935	1,485	0,023
3	0,145	0,304	-0,848	0,011
4	0,012	0,734	-3,139	0,056

Значения стрелы прогиба ?f в зависимости от несимметрии заданных в эксперименте параметров и плотности плит форматом 420•420 мм² представлены на рисунке 14.

Распространенные в настоящее время способы уменьшения покоробленности ДСтП (выдержка плит в плотных стопах, несимметричное калибрование пластей покоробленных плит, приложение обратной прогибу деформации в условиях определенной влажности и температуры) никак не связаны с технологическим процессом изготовления плит, они осуществляются уже на готовых плитах, и их можно отнести к пассивным способам устранения покоробленности.



Рисунок 14 - Зависимость стрелы прогиба от плотности плит и асимметрии параметров: а, б - асимметрия масс и влажности наружных слоев; в - асимметрия поверхностной влажности; г - асимметрия температур прессующих плит

В отличие от пассивных способов, при которых воздействие на плиты осуществляют после их изготовления, разработанные в диссертации активные способы предусматривают изменение одного или нескольких технологических параметров на определенную величину с целью задания плите обратного прогиба, компенсирующего покоробленность. На основании информации о покоробленности изготовленной плиты производится изменение в технологии изготовления последующих плит, т.е. активное воздействие на процесс производства.

Главное достоинство активных способов - возможность автоматического устранения покоробленности изготовляемых плит. При наличии достаточно простых датчиков коробления, устанавливаемых на участке кондиционирования или обрезки готовых плит, и корректной начальной настройке САУ покоробленностью активные способы легко реализуются автоматически. При этом не требуется сложных расчетов для задания температурно-влажностного воздействия, необходимого для выпрямления плит.

Следует выделить четыре основных способа устранения покоробленности, относящихся к активным. При их реализации либо целенаправленно изменяются структурные параметры исходного стружечного ковра (послойная или поверхностная влажность, послойный фракционный профиль), либо создается определенная температурная асимметрия прессующих плит. Разработанная автором классификация способов представлена на рисунке 15.

Рисунок 15 - Классификация способов устранения покоробленности древесно-стружечных плит

Преобразовав (29), можно решить обратную задачу, т.е. получить значения асимметрии послойной влажности ?U, поверхностной влажности ?W, асимметрии масс наружных слоев или температурной асимметрии ?Т, необходимой для компенсации покоробленности определенной величины. В данные значения необходимо ввести поправки, связанные со временем измерения стрелы прогиба и форматом плиты.

Поправка на время измерения покоробленности составляет:

.(30)

Коэффициент 0,851 отражает тот факт, что уравнение регрессии (29) справедливо для периода, соответствующего 20 минутам после выгрузки плиты из пресса. При подстановке в (30) t = 20 получим К₁ = 1. Для того, чтобы уравнение регрессии (29) имело допустимую массу определенности, время t должно быть не менее 5 мин.

Экспериментальные исследования показали, что величина ?f подчиняется условию подобия, т.е. для квадратной плиты с длиной сторон L [мм] стрела прогиба отличатся в L/400 от стрелы прогиба плит, для которых получено уравнение (29), т.е. для плит с длиной сторон 400 мм. Коэффициент подобия, задающий поправку на формат плиты, имеет вид: К₂ = . Для плиты неквадратной формы вместо L следует подставлять среднее арифметическое между длиной и шириной плиты.

Наиболее эффективным в смысле быстродействия является способ управления покоробленностью за счет создания температурной асимметрии плит пресса. При этом для плит толщиной 16 мм минимальное время реакции системы составит около 3 минут, для плит толщиной 19 мм - около 3,5 минут. За этот период возможно изготовление одной покоробленной плиты, во всех последующих плитах покоробленность будет скомпенсирована.

Активный способ управления покоробленностью посредством введения температурной асимметрии при прессовании заключается в том, что через 5-40 минут после выгрузки готовой плиты из пресса измеряют направление и величину покоробленности плиты ?f (стрела прогиба в центре плиты на пересечении ее диагоналей). В зависимости от измеренного значения при прессовании последующих плит создают разность температуры между прессующими поверхностями (?Т в ⁰С), исходя из выражения:

,(31)

причем более высокую температуру создают на прессующей поверхности, в сторону которой изгибается середина измеряемой плиты, сохраняя неизменной среднюю температуру прессования. Например, при изгибе середины плиты вверх создают температуру верхней и нижней прессующих поверхностей соответственно:

, .

При этом средняя температура прессования остается неизменной: .

В результате такой разницы температур между верхней и нижней прессующими поверхностями перенос тепла внутрь прессуемого пакета становится несимметричным относительно центральной горизонтальной плоскости, связующее в верхних и нижних слоях пакета отверждается не одновременно. Это приводит к образованию в готовой плите внутренних механических напряжений, которые начинают уравновешиваться сразу после раскрытия пресса, деформируя плиту на определенную величину, причем данная деформация компенсирует покоробленность плиты. При этом предполагается, что вызывающие коробление технологические погрешности (подсыхание поверхности стружечного пакета, просеивание мелкой стружки внутрь пакета, засорение тепловых каналов пресса и т.д.) практически не изменяются в период между моментом измерения величины покоробленности и моментом соответствующего изменения температуры прессующих поверхностей. Такие меняющиеся производственные условия, как порода исходной древесины, температура и влажность окружающей среды и т.п., воздействуют на обе стороны стружечного пакета и не влияют на покоробленность плит.

Для подтверждения эффективности предложенных способов в лабораторных условиях на электрообогреваемом прессе было изготовлено две серии ДСтП (по 10 плит в каждой серии).

Плита А: трехслойная из промышленно изготовленной сосновой стружки на фенолформальдегидном связующем толщиной 16 мм, форматом 420?420 мм², плотностью 0,7 г/см³. Влажность верхнего и нижнего наружных слоев исходных пакетов составляла 10% и 50% соответственно, внутреннего слоя - 10%, массовое соотношение слоев 1:3:1. Плиты прессовались при одинаковой температуре верхней и нижней прессующих плит, равной 160 ^оС.

Плита Б: параметры и условия изготовления те же, что и для плиты А, но температура верхней и нижней плит пресса составляла соответственно 195 и 125 ^оС.

После выгрузки плит из пресса они выдерживались в горизонтальном состоянии, охлаждаясь до 30 ^оС, после чего измерялась стрела их прогиба. Для плиты А средняя по 10 измерениям стрела прогиба составила 3,8 мм (середина выгнута вверх), для плиты Б - 0,6 мм (середина выгнута вниз). Таким образом, искусственно вызванная покоробленность в плите А за счет разности влажности слоев исходного пакета была значительно снижена за счет заданного температурного дисбаланса прессующих плит. Данный результат можно трактовать иначе: покоробленность плиты, вызванная разностью температур при прессовании, была скомпенсирована дисбалансом послойной влажности исходного стружечного пакета.

Схема формирующей машины с управлением покоробленностью за счет создания необходимой послойной асимметрии стружечного ковра представлена на рисунке 16.

Покоробленность готовых плит в продольном и поперечном направлениях измеряется на участке обрезки или кондиционирования четырьмя датчиками, сигналы от которых обрабатываются в САУ обтекателем.



Рисунок 16 - Структурная схема машины для формирования однослойного ковра с управлением продольной и поперечной покоробленностью: 1-питающий транспортер; 2-дозирующий валец; 3-формирующий транспортер; 4 - обтекатель; 5 - щелевые сопла; 6 - исполнительные механизмы; 7 - датчики уровня плиты; 8 - конечный выключатель; 9 - САУ положением обтекателя

На рисунке 17 представлена схема пресса, в котором возможно управление покоробленностью одно- и многослойных плит за счет создания определенной асимметрии верхней и нижней прессующих поверхностей. Эта асимметрия создается подводящими к прессу обогревательную среду теплорегуляторами, которые могут управляться вручную или автоматически.

Рисунок 17 - Схема тепловых соединений пресса: 1 - верхняя прессующая плита; 2 - нижняя прессующая плита; 3 - продольные каналы; 4 - поперечные каналы; 5, 6 - теплорегуляторы

В диссертации разработаны также аналогичные системы для прессов непрерывного действия на основе температурной асимметрии прессующих лент и гибкого прессового канала.

Пятая глава работы посвящена исследованию асимметричных ДСтП и оценке возможности изготовления на оборудовании для плоского прессования плит, имеющих формы пологих оболочек.

До 30 % ДСтП в строительных конструкциях и в элементах мебели постоянно находятся в горизонтальном положении (в книжных полках - более 80 %) и являются несущими, т.е. подвергаются изгибающей нагрузке, при которой верхняя половина плиты работает на сжатие, а нижняя - на растяжение параллельно пласти.