Совершенствование формирования и прессования древесностружечных плит

В строительстве, мебельной промышленности и других отраслях древесностружечные плиты (ДСтП) все в большей степени заменяют массивную древесину и клееную фанеру. Однако большинство выпускаемых в России плит по многим показателям качества не отвечают требованиям международных стандартов, ассортимент выпускаемой продукции недостаточен, а многие процессы производства не оптимизированы. Действующие линии не являются гибкими, т. е. не перестраиваются по отдельным важным параметрам, и морально устарели. В связи с интеграцией России на международный рынок и снижением пошлин на импортную плитную продукцию отечественным производителям ДСтП следует уделять больше внимания качеству выпускаемой продукции. Этому способствует правительственная программа по внедрению передовых наукоемких технологий в сфере глубокой переработки древесины.

В связи с этим, совершенствование технологических средств в производстве ДСтП представляет собой актуальную задачу. Причем необходимы такие решения, которые можно реализовать без существенного изменения технологии и дополнительных капвложений.

Высокие темпы современного научно-технического прогресса относятся и к технологическому оборудованию. Мощность, производительность и точность машин постоянно улучшаются. Однако принципиальное усовершенствование оборудования невозможно без создания теоретических предпосылок его расчета и проектирования. Это справедливо также для оборудования для изготовления ДСтП.

Совершенствование формирования и прессования, наиболее важных и сложных процессов в производстве ДСтП — ото комплексная проблема, включающая в себя обновление технологии, модернизацию оборудования, изменение схем автоматики и т. п. Анализ действующих конструкций показал, что имеются значительные резервы повышения прочности ДСтП на статический изгиб, которые дают возможность производить плиты из древесного сырья более низкого качества, экономить связующее или снижать толщину плит, работающих на изгиб без потери их прочности. Трехслойная ДСтП, состоящая из продольно ориентированной стружки и имеющая оптимальное соотношение слоев, теоретически может иметь более высокую прочность на статический изгиб. Чтобы использовать данные резервы, необходимо создание модели трехслойной плиты, на основании которой можно аналитически установить зависимость рационального соотношения толщины слоев стружечного ковра от модулей упругости плиты в этих слоях, при условии максимальной прочности плиты на изгиб. Необходима также разработка способов и систем управления формированием трехслойного стружечного ковра, позволяющих автоматически поддерживать данное рациональное соотношение слоев. При этом требуется оперативно определять модули упругости слоев наиболее простыми, косвенными методами.

Плиты из ориентированной крупноразмерной стружки (OSB) в России не производятся, годовой объем их импорта в страну составляет 20 тыс. м3. По прогнозам, к 2010 г. объем потребления OSB в России может составить 400−600 тыс. м /год. Однако, исходя из опыта внедрения в России новых деревообрабатывающих производств на основе западного оборудования, ожидается, что OSB будут производиться уже на морально и технически устаревшем оборудовании. В настоящее время отсутствуют теоретические положения для модернизации современных ориентирующих устройств, используемых в производстве OSB, в частности, нет методики расчета поступательного и вращательного движения направляющих органов механических ориентирующих устройств, не решены многие конструктивные вопросы данного оборудования.

Актуальной проблемой является также создание теоретической базы для разработки принципиально новых механических ориентирующих устройств, которые на сегодняшний день являются наиболее перспективными для производства OSB. При этом важно установить оптимальные значения скоростей перемещения или вращения ориентирующих органов и значение оптимального шага ориентации, при которых происходит наиболее полная ориентация максимального количества стружки в ковре. Для создания автоматических систем, мнинимизирующих угол укладки стружки, необходимо установить значение такого важного аэродинамического показателя, как коэффициент лобового сопротивления древесных частиц, а также разработать специальный датчик угла укладки стружки.

Актуальной задачей является повышение диапазона длины одновременно ориентируемых частиц. Для решения этой задачи необходима разработка многоскоростных механических ориентирующих устройств, устройств с переменным шагом ориентации, позволяющих оперативно перестраиваться на работу с частицами заданной длины, а также вибрационных ориентирующих систем. При этом следует предусмотреть автоматическую очистку ориентирующего устройства от нестандартных частиц, а сами устройства должны быть построены на современной элементной базе и гармонично встраиваться в гибкие линии, которые оперативно переводятся на изготовление того или иного вида продукции — в зависимости от спроса.

Производительность современных линий производства ДСтП сдерживают отдельные операции, одной из которых является смыкание крупноформатного пресса после загрузки в него стружечных брикетов с мелкоструктурной поверхностью. Для минимизации этой операции необходимо теоретическое изучение процесса поведения среды в межплитном пространстве, получение рациональной зависимости перемещения плиты пресса и разработка способов и систем смыкания однои многоэтажных прессов, автоматически поддерживающих такую скорость смыкания, при которой скорость выхода среды из межплитного пространства не превышает допустимого значения Актуальность данного вопроса подчеркивается тем, что в настоящее время снизить удельные затраты на изготовление плит производители пытаются за счет увеличением формата прессов, переходя на одноэтажную схему прессования.

Одним из распространенных дефектов ДСтП является их покороблен-ность. Традиционные способы уменьшения покоробленности трудоемки и не поддаются автоматизации. До сих пор не исследована динамика коробления плиты непосредственно после выгрузки ее из пресса, и не выявлены зависимости конечной покоробленности плиты от различного рода технологических неточностей, погрешностей и дефектов. В связи с этим необходимы экспериментальные исследования коробления плит, на основании которых возможна разработка специальных способов снижения покоробленности и создание автоматических систем управления продольной и поперечной покоробленностью ДСтП.

Одна из задач мебельной промышленности — получение ДСтП в виде изогнутых пологих оболочек. Операции изготовления и замены пресс-форм весьма трудоемки. Поэтому получение ДСтП с оригинальными декоративными свойствами на традиционном оборудовании для плоского прессования является актуальной задачей, решение которой возможно, в частности, за счет асимметричного регулирования температуры плит пресса. При этом возможно также получение более дешевых асимметричных ДСтП, предназначенных для горизонтальных несущих элементов, при сохранении их прочности.

Цель работы — разработка теоретических основ и технических решений, направленных на повышение качества и эффективности производства ДСтП.

Объект исследования — технологические процессы производства ДСтП.

Предмет исследования — физические явления, характеризующие технологические процессы формирования и прессования ДСтП.

Направления исследований:

1. Анализ существующих способов и выявление возможностей улучшения основного механического показателя многослойных ДСтП — прочности на изгиб, разработка модели рационального сечения плиты, развитие систем управления формирующими машинами, реализующими разработанную модель.

2. Систематизация способов ориентации древесных частиц при формировании стружечного ковра, установление функциональных связей между технологическими параметрами и углом ориентации частиц, развитие теоретических основ построения и расчета локальных автоматических систем оптимальной ориентации частиц, исследование влияющих на ориентацию частиц погрешностей.

3. Разработка ориентирующих устройств с переменным шагом ориентации, устройств с повышенным диапазоном длины ориентируемых частиц, с возможностью автоматической очистки устройств от нестандартных частиц.

4. Развитие теоретических положений по расчету смыкания крупноформатных прессов и основ проектирования автоматических систем смыкания, обеспечивающих минимальную продолжительность смыкания при ограниченной скорости выдувания среды из межплитного пространства, а также обеспечивающих минимальное размыкание многоэтажного пресса, независимо от толщины исходных стружечных брикетов.

5. Исследование динамики коробления ДСтП непосредственно после выгрузки их из пресса.

6. Развитие новых активных способов уменьшения покоробленности ДСтП и разработка на их основе автоматических систем устранения покоробленности в прессах периодического и непрерывного действия.

7. Разработка основ изготовления на традиционном оборудовании асимметричных ДСтП и декоративных ДСтП с конструктивно заданной кривизной поверхности.

Диссертационная работа поддержана грантом Федерального агентства по образованию «Исследование процесса структурообразования искусственных строительных конгломератов на основе древесных частиц» (per. № 5373). и.

6.5 Выводы.

Результаты диссертационной работы позволяют организовать производство древесностружечных плит с дифференцированными от условий применения свойствами. Наряду с максимальным удовлетворением требований потребителя, это позволяет рационально использовать сырье, материалы, энергои трудозатраты в производстве плит и, тем самым, снизить их себестоимость. При больших объемах производства даже незначительные усовершенствования оборудования, проведенные при относительно малых затратах, могут дать ощутимый экономический эффект.

Общий ожидаемый экономический эффект от использования рассматриваемых в диссертационной работе автоматических систем (оптимизации соотношения слоев формируемого трехслойного ковра, стабилизации массы ковра, минимизации угла ориентации древесных частиц, минимизации продолжительности смыкания плит пресса, управления покороблеиностью изготовляемых плит) определяем как сумму отдельных эффектов:

Э = Э] + Э2 + Эз + э4 = 106 + 97 + 197 + 65,8 = 465,8 руб./м3.

Для предприятия средней мощности с годовым объемом производства q q древесностружечных плит 50−10 м это соответствует годовому эффекту 23,3 млн руб. С учетом себестоимости 1 м древесностружечной плиты 4000 руб. (значение на 2008 г.), внедрение в производство представленных разработок дает снижение себестоимости продукции на 11,6%. Расчеты показывают, что наибольший эффект ожидается от внедрения автоматической системы оптимального смыкания плит пресса.

Эффект рассчитывался из условия окупаемости капвложений в течение 2,5 лет.

Заключение

.

Проведенные исследования позволили выявить значительные резервы повышения прочности ДСтП на статический изгиб, что дает возможность производить плиты из древесного сырья более низкого качества, экономить связующее или снизить толщину плит, работающих на изгиб без потери их прочности. Трехслойная плита, состоящая из продольно ориентированной стружки и имеющая оптимальное соотношение слоев, теоретически может иметь в несколько раз большую прочность на изгиб (в продольном направлении), чем однородная неориентированная плита.

На основе моделей трехслойной ДСтП аналитически получена зависимость рационального соотношения толщины внутреннего и наружных слоев стружечного ковра от модулей упругости плиты в данных слоях (целевая функция — максимум предела прочность плиты на изгиб). Результаты анализа показали, что при двукратном превышении модуля упругости наружного слоя над модулем упругости внутренних слоев возможно повышение прочности ДСтП на 28% (относительно однородной плиты), а при 4-кратном превышении — на 57%. Оптимум соотношения слоев изменяется от 1:3:1 до 1:5:1 при увеличении отношения модулей упругости внутреннего и наружных слоев исходного стружечного ковра соответственно от 1,2 до 3,5. При этом прочность ДСтП на статический изгиб, возрастает до 40%. Теоретические данные подтверждены экспериментально.

Аналитически определена степень уменьшения предела прочности плиты на изгиб в зависимости от погрешности послойной структуры ковра (погрешности фракционирования). Потери прочности от погрешности фракционирования могут составлять до 12%.

Установлено, что соотношение модулей упругости наружных и внутреннего слоев изготовляемой плиты можно косвенно определить через соотношение толщин соответствующих слоев формируемого ковра.

Разработаны теоретические основы оптимального формирования трехслойного стружечного ковра (целевая функция — максимальная прочность на статический изгиб). Предложены и защищены авторскими свидетельствами и патентами автоматические системы управления, позволяющие оперативно поддерживать оптимальное соотношение слоев ковра в соответствии с изменением состава исходного сырья.

Разработаны и защищены авторскими свидетельствами автоматические системы стабилизации толщины трехслойного стружечного ковра, позволяющие стабилизировать массу ковра, независимо от колебаний технологических параметров.

Теоретические исследования поведения древесных частиц в механическом ориентирующем устройстве показали, что действующая на частицу сила тяжести и сила сопротивления воздуха соизмеримы, а предельная скорость падения частицы зависит от плотности среды (воздуха), плотности, толщины и коэффициента лобового сопротивления частицы и не зависит от ее длины и ширины. Выявлен закон изменения скорости падения частицы. Установлено, что сопротивление воздуха практически не сказывается на вращении частицы.

Экспериментально определено значение коэффициента лобового сопротивления плоских древесных частиц, используемых в производстве древесностружечных плит. Данный коэффициент можно принять равным 1,83. При этом погрешность расчетов, независимо от геометрических размеров частиц, не превысит ± 5,5% .

Впервые выведено и запатентовано значение оптимальной скорости перемещения направляющего органа, при которой происходит максимальная ориентация древесных частиц в стружечном ковре (угол ориентации стружки минимален). Она определяется шагом ориентации, длиной и толщиной частицы и высотой ее падения, т. е. зависит также от толщины стружечного ковра. Теоретические данные подтверждены экспериментально.

Для дисковых ориентирующих устройств выведено выражение, связывающее скорости вращения соседних дисков, их диаметр и шаг ориентации на определенном участке устройства. Реализация данного выражения позволит минимизировать угол укладки стружки.

Установлены значения оптимального шага направляющего органа в зависимости от параметров ориентирующего устройства и древесных частиц. При поддержании в процессе производства оптимальных значений данных параметров средний угол ориентации древесных частиц в стружечном ковре составляет не менее 5 градусов. При попытке уменьшения данного значения возрастает вероятность засорения ориентирующего устройства.

Установлено, что погрешность ориентации определяется погрешностью измерения длины ориентируемых частиц, погрешностью поддержания скорости направляющего органа и погрешностью определения высоты полета стружки, причем вклад последней в погрешность ориентации является наименьшим.

Определено число ветвей направляющего органа для обеспечения заданной производительности ориентирующего устройства. При оптимальной скорости перемещения направляющего органа данное число не зависит от длины ориентируемых частиц. Ориентация частиц длиной менее 25 мм проблематична из-за необходимости установки большого числа ветвей направляющего органа. Ориентация крупноразмерной стружки возможна уже при количестве ветвей не более 10.

Установлена зависимость КПД ориентирующего устройства от количества ветвей направляющего органа.

Установлено, что при более чем 5-кратном изменении диапазона длины ориентируемой стружки, диапазон изменения шага ориентации не может превышать 4, а диапазон изменения скорости перемещения направляющего органа может составлять более 5. Поэтому минимизировать угол ориентации стружки целесообразно посредством оптимизации скорости перемещения направляющего органа. Установлено также, что технологически угол ориентации легче минимизировать для более крупной стружки.

Установлено, что за счет регулирования скорости направляющего органа возможно изменять средний угол ориентации частиц в стружечном ковре без изменения положения устройства. При скорости, равной четырехкратному значению оптимальной скорости и при оптимальном шаге направляющего органа угол ориентации составляет 90 градусов. Это позволяет использовать аналогичные устройства как для продольной, так и для поперечной ориентации различных слоев стружечного ковра.

Установлено, что оптимизация шага направляющего органа ориентирующего устройства позволяет ориентировать максимальное количество древесных частиц без засорения устройства, а оптимизация скорости перемещения направляющего органа позволяет минимизировать угол ориентации частиц.

Впервые предложен и защищен патентом способ регулирования скорости перемещения направляющего органа ориентирующего устройства, позволяющий минимизировать угол ориентации стружки в древесностружечной плите. Аналитические выводы подтверждены экспериментальными данными.

Предложены основы схем ультразвукового и оптического датчиков для определения угла ориентации стружки в ковре.

Разработаны два варианта принципиально различающихся САУ (работающих по принципу компенсации внешних возмущений и по принципу отклонения), автоматически поддерживающих оптимальную скорость направляющего органа, при которой угол ориентации стружки в формируемом ковре минимален, независимо от параметров древесных частиц.

Разработана САУ, автоматически поддерживающая оптимальный шаг ориентации, независимо от параметров древесных частиц (целевая функцияминимальный угол ориентации стружки в формируемом ковре).

Разработано и защищено авторским свидетельством механическое ориентирующее устройство с двойной скоростью перемещения направляющих органов, позволяющее повысить диапазон длины одновременно ориентируемых частиц в 3 раза.

Впервые в отечественной и мировой практике разработаны и защищены авторскими свидетельствами и патентами механические ориентирующие устройства с переменным шагом ориентации, позволяющие оперативно перестраиваться на работу с частицами в диапазоне их длины до 4. Данные устройства позволяют поддерживать оптимальный шаг ориентации (целевая функция — ориентация максимального количества стружки без засорения устройства).

Разработаны способ и устройство автоматической очистки гибкого ориентирующего органа от нестандартных частиц, причем данная очистка не сказывается на производительности установки.

Впервые выведено выражение скорости выдуваемой из межплитного пространства воздушной среды при смыкании пресса.

Аналитически установлена оптимальная зависимость перемещения прессующих плит (целевая функция — допустимое значение скорости выдуваемой из межплитного пространства среды), поддержание которой позволяет сократить продолжительность смыкания и размыкания пресса, что, в свою очередь, позволяет повысить производительность пресса и улучшить качество продукции за счет меньшего нагрева стружечных брикетов при отсутствии давления прессования.

Экспоненциальная зависимость перемещения прессующих плит — наиболее простой и дешевый путь интенсификации смыкания пресса, он позволяет повысить производительность линий по производству древесных плит без существенного изменения технологии и дополнительных капвложений. В зависимости от продолжительности цикла прессования это повышение составляет 2 — 6%. Преимущества смыкания пресса по экспоненциальной зависимости особенно сильно проявляются при прессовании тонких болыпефор-матных плит с мелкоструктурной поверхностью.

Установлено, что наиболее высокую скорость выдувания воздушной среды имеют прессы большой площади, близкой к квадрату. Чем меньше ширина пресса (при той же площади), тем быстрее можно производить его смыкание при той же скорости выхода среды из межплитного пространства.

Предложены и защищены авторскими свидетельствами способ и системы оптимального смыкания крупноформатных однои многоэтажного прессов, основанные на измерении скорости выходящей из межплитного пространства среды. Данные системы автоматически поддерживают скорость смыкания плит пресса, при которой выдувание среды из межплитного пространства не превышает допустимого значения.

Разработана и защищена авторским свидетельством автоматическая система смыкания пресса, реализующая зависимость смыкания, близкую к экспоненциальной, и не требующая измерения скорости среды, выходящей из межплитного пространства.

Разработана и защищена авторским свидетельством автоматическая система минимизации просвета многоэтажного пресса при загрузке пресса, позволяющая в несколько раз сократить время смыкания и размыкания пресса.

Анализ литературных источников, посвященных процессу коробления ДСтП плит, показал, что покоробленность плит присутствует практически всегда. В то же время, отсутствуют работы по исследованию динамики коробления ДСтП непосредственно после выгрузки ее из пресса, а также зависимости конечной покоробленности ДСтП от различного рода технологических неточностей, погрешностей и дефектов.

Коробление многослойных ДСтП не позволяет ориентировать древесные частицы в одном направлении во всех слоях, что снижает прочность плит при статическом изгибе.

Исследование динамики коробления ДСтП позволило установить зависимости изменения вызванной внутренними причинами деформации ДСтП во времени. Решена задача исключения влияния разности температур на пластях неостывшей плиты, собственной массы плиты и массы измерительных приборов на результаты измерении ее коробления.

Экспериментальные данные о процессе коробления обобщены в эмпирические формулы, пригодные для практических расчетов. Получены уравнения регрессии, позволяющие установить численные значения покоробленности ДСтП в зависимости от разности масс слоев исходного стружечного ковра, разности наружной и внутренней влажности слоев ковра и разности температур прессующих плит.

Установлено, что процесс коробления ДСтП протекает по экспоненциальному закону. Определена постоянная времени коробления, среднее значение которой составляет 10,5 мин и практически не зависит от плотности ДСтП и от внутренних причин, вызвавших коробление. Получены поправки, учитывающие изменение масштаба ДСтП и момента измерения при прогнозировании величины покоробленности ДСтП.

Установлено, что о величине установившегося значения покоробленности ДСтП можно адекватно судить не менее чем через 5 минут после ее выгрузки из пресса, при этом мера определенности уравнений регрессии составляет до 85%.

Экспериментально установлено, что при технологической асимметрии середина ДСтП выгибается в сторону наружного слоя с меньшей массой, в сторону более сухого наружного слоя, в сторону более холодной прессующей поверхности.

На основании анализа коробления ДСтП произведен синтез формоста-бильности плиты, заключающийся в том, что, исходя из направления и динамических величин покоробленности ДСтП, производится искусственное задание такого структурного, влажностного или температурного режима, который вызывает изменение формы ДСтП, компенсируя коробление, вызванное какой-либо производственной погрешностью, и при котором покоробленность охлажденной ДСтП не превышает допустимые допустимых пределов.

Впервые в отечественную и мировую практику введено понятие активных способов управления покоробленностью ДСтП. Данные способы, защищенные авторскими свидетельствами, принципиально позволяют уменьшить и даже полностью устранить покоробленность ДСтП, независимо от причин, вызывающих коробление. Теоретические данные подтверждены экспериментально.

Разработаны структуры автоматических систем управления продольной и поперечной покоробленностью ДСтП, реализующие создание необходимой асимметрии структуры стружечного ковра и асимметрии температур прессующих плит.

Разработаны структуры автоматических систем управления покоробленностью ДСтП, производимых в прессах непрерывного действия, в которых используется температурная асимметрия прессующих органов и формирование гибкого прессового канала.

Произведена оценена инерционности систем управления покоробленностью, действующих на этапах осмоления стружки, формирования стружечного ковра, транспортировки ковра и прессования. Установлено, что минимальную инерционность САУ можно получить, воздействуя на температуру прессующих плит. При этом минимальное время запаздывания системы составляет около половины периода прессования плит.

Теоретически установлено и экспериментально подтверждено, что введение в трехслойную ДСтП определенной структурной несимметрии по толщине, позволяет значительно (до 12%) экономить связующее без снижения предела прочности плиты на изгиб. Возникающее при этом коробление ДСтП возможно устранить активными способами, разработанными в главе 4.

Активные способы управления покоробленностью ДСтП позволяют расширить технологические возможности изготовления плит и получать.

ДСтП с оригинальной конструкцией и оригинальным декоративным качеством.

Показано, что при помощи систем управления покоробленностью можно задавать такой структурный режим формирования или температурный режим прессования, при котором готовая ДСтП имеет конструктивный изгиб заданной формы и величины. Это позволяет производить на традиционном оборудовании (для плоского прессования) ДСтП в виде пологих оболочек.

Определены зоны асимметрии температуры прессующих поверхностей для получения заданных конструктивных изгибов готовых ДСтП.

На основе косвенной геометрической оценки снижения плотности изделия из-за его коробления и последующего выпрямления предложен способ оценки снижения предела прочности выпрямленных ДСтП при статическом изгибе. Потеря прочности может составлять до 4% при прогибе плиты около 8% от ее длины и около 12% при прогибе до 16% от ее длины. Теоретические результаты подтверждены экспериментально.

Оценка технико-экономической эффективности представленных разработок (автоматических систем оптимизации соотношения слоев формируемого трехслойного ковра, стабилизации массы ковра, минимизации угла ориентации древесных частиц, минимизации времени смыкания плит пресса, управления покоробленностью изготовляемых ДСтП) показала, что комплексный годовой экономический эффект за счет улучшения эксплуатационных качеств продукции и повышения производительности оборудования составляет 23,3 млн руб. при объеме выпуска ДСтП 50 тыс. м. При этом себестоимость продукции снижается на 11,6% при сроке окупаемости капвложений в течение 2,5 лет.