автореферат диссертации по технологии, машинам и оборудованию лесозаготовок, лесного хозяйства, деревопереработки и химической переработки биомассы дерева, 05.21.05, диссертация на тему:Научно-технологические основы производства, подготовки и эксплуатации плоских круглых пил для распиловки древесины

У :ог-5/ £88-5

На правах рукописи

СТАХИЕВ Юрий Михайлович

НАУЧНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРОИЗВОДСТВА, ПОДГОТОВКИ и ЭКСПЛУАТАЦИИ ПЛОСКИХ КРУГЛЫХ пил ДЛЯ РАСПИЛОВКИ ДРЕВЕСИНЫ

Специальность 05.21.05 - Древесиноведение, технология и

оборудование деревообработки

Президиум ВАК России,

_ на соискание ученой стёпенитфеторатгеаническ®

эетю* УчщщщтшАГ'^-

йук

yspaiAiMMi ВАК России

Архангельск - 2002 - -

Работа выполнена в лаборатории круглопильного оборудования и инструментов Центрального научно-исследовательского института механической обработки древесины (ЦНИИМОД).

Официальные оппоненты - доктор технических наук, профессор

Дерягин Р.В.

- доктор технических наук, профессор

Пашков В.К.

- доктор технических наук, профессор

Памфилов Е.А.

Ведущая организация - ОАО «Вологодский станкостроительный завод»

i 10 часов на заседаем государственном • Северной Двины,

нии диссертационного со техническом университете

17, ауд.1228).

С диссертацией мо:

Доклад разослан «_/

Ученый секретарь диссертационного совет кандидат технических наук, доцент

Земцовский А.Е.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В мировой практике преобладают две основные тенденции повышения эффективности работы предприятий лесопромышленного комплекса (ЛПК): оптимизация условий работы существующего технологического оборудования и использование новой техники. Эти процессы проходят при все возрастающем влиянии рыночных условий. Первое направление реализуется через совершенствование нормативной базы производства и эксплуатации технологического оборудования и режущего инструмента, второе - через изобретения И разработку новой техники. Ускорителем этих процессов и движущей силой является наука.

На лесопилыно-деревообрабатывающих предприятиях ЛПК оборудование с круглопильными узлами резания составляет 30-50% от всего парка технологического оборудования. Повышение эффективности его эксплуатации оказывает существенное влияние на технико-экономические показатели работы предприятий, а поэтому востребовано промышленностью. Ключевую роль в совершенствовании узлов резания играют непосредственно круглые пилы. Эффективные рабочие параметры узлов резания формируются при решении проблем конструирования, производства, подготовки, установки и эксплуатации круглых пил, которые являются наукоемким объектом.,

Совершенствование этих слагаемых является актуальной научно-технической проблемой и требует проведения комплексных научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ, в основе которых лежит получение и реализация научных знаний поведения и предельных состояний диска пилы, подверженного сложному воздействию силовых и температурных факторов, формированию временных и остаточных напряжений в условиях производства, подготовки и эксплуатации круглых пил.

Цель работы. Комплексное совершенствование условий производства, подготовки, установки и эксплуатации плоских круглых пил для распиловки

древесины на основе изучения

находящегося в ( различных си! многопильных

КНИГА ИМЕЕТ

вращающегося ри увеличении

1ри пилении с пильном валу,

|1И 1П

[понятие уни-решены зада-|тимой частот

вращения диска пилы, как функции минимальной критической частоты вращения.

4. Исследованы и получили сравнительную оценку различные методы нормирования начальных напряжений в диске пилы (проковка, вальцевание, поверхностное пластическое деформирование, термонатяжение, автофретирование) с учетом изменения диаметра пилы при переточках. Запатентован комплексный метод натяжения диска на основе создания остаточных и временных напряжений.

5. Предложены, запатентованы и исследованы способы создания нормированных начальных напряжений в диске пилы на стадии ее индивидуального и группового (в пакете) нагрева или охлаждения при отпуске в процессе изготовления.

6.Предложен, запатентован и исследован комплекс условий, регламентирующих эффективную установку и эксплуатацию ресурсосберегающих тонких плавающих круглых пил в многопильных круглопильных станках для распиловки брусьев.

7.Предложены, запатентованы и исследованы эффективные конструкции плавающих и специальных круглых пил с прорезями, в том числе пил, не имеющих критических частот вращения в традиционном понимании этого термина.

Практическая значимость.

1 .Результаты исследований вошли в отраслевую нормативно-техническую документацию, утвержденную бывшим Минлеспромом СССР (технологический режим РПИ 6.6-00 «Подготовка плоских круглых» , РТМ по Определению режимов пиления древесины круглыми пилами , Методика определения потребности в плоских круглых пилах для распиловки древесины, Рекомендации по подготовке и эксплуатации отдельных моделей оборудования - СБ8М, СБ15Т и др.).

2.С 1979 г. ОАО «Краснофлотский механический завод», а с 1985 г. ОАО «Вологодский станкостроительный завод» приступили к серийному производству первых отечественных многопильных круглопильных станков СБ8М, Ц8Д-8М с ресурсосберегающими плавающими круглыми пилами и самоустанавливающимися направляющими. Общее количество выпущенных станков более 400 шт. В 1982-1986 гг. ОАО «Кондопожский ДОЗ» впервые на Европейском континенте использовал в станке СБ8М пилы толщиной 1,6 мм для продольной распиловки брусьев. ОАО «Нововятский КДП» - самое крупное на Европейском континенте предприятие по количеству одновременно используемых станков с плавающими пилами (5 шт.). ОАО «Архангельский ЛДК №3» - базовое предприятие отрасли, в 1989 г. на станке СБ8М установил Всесоюзный рекорд по производительности - 503 м3 распиленного сырья (диаметром 18 см) в смену.

3.КБ ЦНИИМОДа разработана гамма приспособлений и устройств нового поколения для контроля плоскостности ПН-1, ПН-2, ПН-3, торцового биения ПН, натяжения (ПСП-710/3, ПСП-1100/2 и др.) и частот собственных колебаний (ПчД-1, ПчД-2) круглых пил. Приспособления ПСП-1100/2 и ПН выпускаются приборной группой ЦНИИМОД. ОАО «Иркутский ОМЗ» выпущено более 500 комплектов приспособлений ПН и ПСП-710/3.

4.ЦНИИМ0Д разработана и выпущена опытная партия гаммы однозонных и двухзонных контактных нагревателей для отпуска, термонатяжения и реставрации плоских круглых пил. Контактный нагреватель для реставрации плоских круглых пил диаметром до 560 мм используется на ОАО «Нововятский КДП» с 1988 г. На ОАО «ГМЗ» используются двухзонные контактные нагреватели, разработанные заводом по совместным авторским свидетельствам на изобретения. На основании материалов исследований и совместных авторских свидетельств внесены уточнения в маршрутную технологию изготовления пил.

5.ЦНИИМОД разработаны и изготовлены приставки к серийно выпускаемым вальцовочным станкам для обеспечения вальцевания круглых пил диаметром до 800 мм. Разработана техническая документация на специализированные станки для вальцевания круглых пил диаметром до 800 мм (ПВД-800) и диаметром до 1500 мм (ГОД-1500). Использование метода вальцевания рекомендовано в комбинации с правкой и проковкой. Для правки-проковки круглых пил больших диаметром по патентам 1999-2000 гг. разработано специально оборудованное рабочее место.

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались в 1961-2001 гг.:

-на научно-технических конференциях ЦНИИМОД, СПб.ГЛТА, МГУЛ, АГТУ, ВНИИДрев, СибНИИЛП;

-на отраслевых научно-практических семинарах и конференциях (гг.Москва, С.Петербург, Киев, Нижний Новгород, Архангельск, Петрозаводск, Вологда, Киров, Нововятск, Луза, Екатеринбург, Красноярск, Рига, Львов, Касто-поль, Кемь, Кондопога, Алушта);

-на ученых и экспертных советах ЦНИИМОДа;

-на международных конгрессах, конференциях, семинарах, симпозиумах: Москва, Лесдревмаш-1984 г. и 1988 г.; Архангельск, 1987 г. - советско-шведский симпозиум; Финляндия (Тампере), 1995 г. - IUFRO XX World Congress; Канада (Ванкувер), 1997 г. - 13th International Wood Machining Seminar (IWMS-13); Франция (Париж, Эпинал, Клуни), 1999 г. - IWMS-14; Чехия (Брно), 2000 г. - International Scientific Conference: Forest and Wood Technology vs. Environment; США (Лос-Анжелос), 2001 г. - IWMS-15.

По материалам диссертации опубликовано 249 печатных работ, включая 2 монографии, 25 брошюр, 13 статей в зарубежных научно-технических журналах и трудах конференций, 60 авторских свидетельств и патентов на изобретения. Аннотации по работам автора публиковались в изданиях Wood Machining News (США) №2, 1984 г.; №5, 1995 г.; №6, 1995 г.; №1, 1998 г.; №5, 1999 г., а также в журналах Holzindustrie (Германия) №6,1979 г.; №3,1981 г..

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ 1.СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА

В 1961 г. проф.А.Э.Грубе (ЛТА) поставил перед диссертантом следующую задачу: «Основываясь на теоретических исследованиях, выполненных в ЛТА под руководством проф. Л.Н.Тер-Мкртичьяна:

-Г.С.Гуркин. Теоретическое исследование устойчивости плоской формы равновесия пильного диска, 1959 г.;

-Г.А.Жодзишский. Влияние напряжений от неравномерного нагрева, проковки и центробежных сил инерции на частоты свободных колебаний круглых пил, 1958 г.;

произвести необходимые расчеты на ЭВМ и дать анализ состояния проблемы, уточнить отдельные теоретические положения, выполнить комплексные экспериментальные исследования устойчивости, колебаний и изгибной жесткости дисков пил, разработать физические модели поведения диска пилы при разгонных испытаниях и пилении, провести необходимые конструкторские разработки и реализовать их и нормативную базу на всех этапах, связанных с производством, подготовкой, установкой и эксплуатацией круглых пил. Обратить внимание на создание условий, обеспечивающих применение в узлах резания ресурсосберегающих тонких круглых пил».

В связи с этим была разработана необходимая экспериментальная база: два стенда для выполнения разгонных испытаний круглых пил диаметром 250800 и 800-1500 мм с непрерывным увеличением частоты вращения и регистрацией поведения диска пилы в свободном и нагруженном состоянии; установка для измерения частот собственных колебаний неврахцающегося диска; установка для измерения изгибной жесткости диска пилы; установка для определения критической радиальной силы; устройства и приспособления для исследования диска пилы при нагреве по внешнему и внутреннему контурам и действии продольных, поперечных сил; прессы для равномерного и неравномерного контактного нагрева (0-600 °С) и охлаждения круглых пил. Опытные распиловки в лабораторных условиях проводились: в «идеальных» условиях - на фрезерном станке по металлу 6Н83Г, в обычных условиях - на ребровом станке модели ЦР4А и на импортном многопильном станке фирмы Wurster&Dietz, который имел возможность переоснащения направляющими различных конструкций для плавающих пил.

С решением различных научно-технических аспектов проблемы производства, подготовки и эксплуатации круглых пил связаны имена российских ученых:

A.Э.Грубе, Л.Н.Тер-Мкртичьян, Г.С.Гуркин, Г.И.Юзефович, Г.А.Жодзишский,

B.И.Санев, В.К.Пашков, А.А.Пижурин, В.В.Соловьев, Н.К.Якунин, П.ИЛапин,

C.В.Ершов, ЕЛ.Памфилов, А.А.Настенко, В.В.Дунаева, В.Д.Дунаев, Г.А.Зотов, Г.П.Печкуров, Минаев В.А., М.М.Твердынина, Б.Ф.Орлов, И.А.Грачев, Л.А.Фефилов, В.И.Лашманов, Н.А.Грубе, В.Г.Бодалев, А.С.Красиков, Р.А.Лейхтлинг, Л.В. Двоскин, О.И.Бачин, КХА.Боричев, М.А.Пустовалова и др., а

также зарубежных ученых: С.Д.Моут, Р.Шимани, Г.С. Счайер, С.Г.Хаттон, А.Реншау, Д.С.Шульц, Б.Тунел, Е.Барц, Г.Палич, С.Прокеяг, Н.Д.Кирик, У.В.Мюнц, Е.Д.Кирбах, П.Ф.Листер, Г.Глиер, Х.Сугихара, Г.Р.Гогу, Х.Губер, Е.Фрибеидр.

Работы, выполнявшиеся диссертантом в ЦНИИМОДе, учитывали происходящую динамику отечественных и зарубежных знаний в области круглых пил и были сосредоточены на непрерывном их углублении, обобщении и поиске новых научно-технических решений. Основное содержание диссертации достаточно полно освещено в монографиях автора 1977 и 1989 гг. и последующих публикациях. Настоящий научный доклад отражает структуру и основные результаты проделанной работы.

2. ИССЛЕДОВАНИЕ ПОВЕДЕНИЯ ДИСКА ПИЛЫ ПРИ ПИЛЕНИИ В «ИДЕАЛЬНЫХ» УСЛОВИЯХ

Понятие «идеальные» условия предполагает пиление в отсутствии влияния на поведение диска температурного перепада по его радиусу (ДТ« Т"™), критических частот вращения (п «п"ш), критических сил (Р«Ркр), высокую точность перемещения распиливаемого материала (0,01:1000) и высокое качество изготовления, подготовки диска (отклонение от плоскостности до 0,12 мм) и зубьев пилы. Реальными были подача на зуб и соответствующие ей силы сопротивления резанию. Распиливались специально отобранные еловые заготовки толщиной 50 мм, длиной 500 мм на фрезерном станке по металлу 6Н83Г отечественными и импортными пилами диаметром 450 мм, толщиной 1,2; 1,8 и 2,2 мм, диаметр пильных фланцев 125 мм, частота вращения пил 40 мин"1, подача на зуб 0,17; 0,34 и 0,52 мм, пиление встречное и попутное.

Установлена следующая общая физическая модель поведения диска пилы в «идеальных» условиях:

-с самого начала врезания пилы в древесину наблюдается ее отклонение от плоскости вращения. Величина этого отклонения зависит от величины действующих на пилу сил, собственной ее изгибной жесткости и находится в кубической зависимости от толщины диска (рис. 1);

-отклонение пилы от плоскости вращения увеличивается с увеличением выхода пилы из древесины. Попутное пиление по сравнению со встречным при прочих равных условиях обеспечивает меньшее отклонение диска пилы;

-если величина прогиба диска пилы под действием сил сопротивления резанию превышает уширение зубьев на сторону, отклонение пилы прогрессирующе нарастает до пластического осесимметричного изгиба диска по окружности зажимных фланцев и потери им упругой устойчивости от больших прогибов при изгибе (рис.1 а и 2г);

-если величина прогиба диска пилы меньше уширения зубьев на сторону, то пила при пилении по длине пропила совершает периодические движения относительно плоскости вращения (рис.1 в).

шнш

ьтшчшя

Рис.1 Отклонение пилы Д=450 мм при встречном пилении (uz=0,34 мм): а - толщина - 1,2 мм; б - .1,8 мм; в - 2,4 мм

Рис.2. Отклонение пропила при встречном пилении (Д=450 мм, S=l,2 мм, Uz=0,34 мм): а - зазор между пилой и ограничителем отклонения 0,1 мм, б - 0,2 мм, в - 0,4 мм, г - без ограничителей отклонения

Рис.3. Отклонения диска пилы диаметром 510 мм, толщиной 1,65 мм, число зубьев 60, диаметр фланцев 125 мм при увеличении частоты вращения: а - холостое вращение, б - диск нагружен поперечной сосредоточенной силой Р„=1Н, в - пиление при постоянной скорости подачи и = 10 м/мин

О 1000 2000 3000 4000 п, мин'1

Проведенный анализ и обобщения в области продольного пиления круглыми, ленточными и рамными пилами показали, что существует усредненный норматив минимальной собственной изгибной жесткости пилы 40-60 Н/мм, ниже которого для обеспечения работоспособности пил необходимо использовать внешние ограничители отклонения полотна пилы (рис.2а-в). Этот норматив должен корректироваться в зависимости от имеющихся погрешностей в системе «станок-инструмент-деталь», режимов пиления и требований к точности пиления. В однопильных круглопильных станках с точным перемещением инструмента относительно распиливаемого материала он равен порядка 50 Н/мм, в многопильных станках с вальцовой подачей для распиловки брусьев - 90 Н/мм, в станках для распиловки бревен - 120 Н/мм и т.д.

Необходимо принятие мер, чтобы собственная изгибная жесткость диска не была потеряна при вращении пилы и ее нагреве в процессе пиления. Поэтому были проведены всесторонние теоретические и экспериментальны исследования собственной (п=0, ДТ=0, Р=0), начальной (п^О, ДТ=0, Р=0) и рабочей (п*0, ДТ*0, Р^О) изгибной жесткости диска пилы.

3. ИССЛЕДОВАНИЕ ПОВЕДЕНИЯ ДИСКА ПИЛЫ ПРИ РАЗГОННЫХ ИСПЫТАНИЯХ

Разгонные испытания проводились на экспериментальных установках ЦНИИМОДа при атмосферном давлении воздуха и в вакууме, а также на разгонных стендах ЦНИИТМАШ (г.Москва) и института Проблем Прочности (г.Киев), позволявших доводить диск пилы до разрушения. При испытаниях с помощью датчиков фиксировались поперечные отклонения и форма колебаний диска. Результаты испытаний, которые представляют общую картину поведения диска пилы, приведены на рис.3.

Диск пилы при разгоне на воздухе вплоть до разрушения проходит три характерных состояния А, Б, В (рис.За). Состояние А - зона возможных рабочих частот вращения пилы. С увеличением частоты вращения в этом диапазоне торцовое биение диска несколько уменьшается, прогиб диска под действие неподвижной в пространстве поперечной сосредоточенной силы изменяется несущественно, а после снятия поперечной силы происходит быстрое затухание колебаний. Состояние Б - зона критических частот вращения различных форм. Начиная с минимальной критической частоты вращения п™°, прогиб диска под действием неподвижной в пространстве поперечной сосредоточенной силы Рп значительно увеличивается (рис.Зб). После снятия силы диск совершает медленные затухающие колебания, продолжительность которых в десятки раз больше, чем при состоянии А. Состояние В - зона автоколебаний, причина их