автореферат диссертации по технологии, машинам и оборудованию лесозаготовок, лесного хозяйства, деревопереработки и химической переработки биомассы дерева, 05.21.05, диссертация на тему:Обоснование рациональных параметров компенсационных прорезей в круглых дереворежущих пилах для улучшения их эксплуатационных свойств

На правах рукописи

РГБ ОД

ПУСТОВ АЛОВ А Марина Александровна

1 ~ АВГ 2000

ОБОСНОВАНИЕ РАЦИОНАЛЬНЫХ ПАРАМЕТРОВ КОМПЕНСАЦИОННЫХ ПРОРЕЗЕЙ В КРУГЛЫХ ДЕРЕВОРЕЖУЩИХ ПИЛАХ ДЛЯ УЛУЧШЕНИЯ ИХ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ СВОЙСТВ

05.21.05. - Технология и оборудование деревообрабатывающих производств; древесиноведение

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Архангельск-2000

Работа выполнена на кафедре строительной механики и сопротивления материалов Архангельского государственного технического университета.

Научный руководитель - доктор технических наук,

профессор Соловьев В.В.

Официальные оппоненгы: - доктор технических наук,

профессор Ясинский B.C.;

- кандидат технических наук Стахиев Ю.М.

Ведущая организация АО «СевНИИП»

(г. Архангельск)

Защита диссертации состоится 2000 г. в // часов на засе-

дании диссертационного Совета Д.063.50.01 в Санкт-Петербургской лесотехнической академии /194018, Санкт-Петербург, Институтский пер.5, главное здание, зал заседаний/.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке академии.

Автореферат разослан «¿» _2000 г.

Ученый секретарь диссертационного Совета,

доктор технических наук, профессор, академик РАЕН

Г.М. Анисимов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Одной из важнейших задач современного деревообрабатывающего производства является повышение производительности кругло-пильных станков за счет улучшения эксплуатационных свойств дереворежущего инструмента и выбора оптимальных режимов резания. Практика эксплуатации круглых пил показывает, что до 40 % аварийного расхода пил и до 50 % брака продукции обусловлено недостаточной работоспособностью инструмента. Многочисленными экспериментальными и теоретическими исследованиями доказано, что основной причиной потери работоспособности круглых пил оказываются температурные напряжения, вызванные неравномерным нагревом пильного диска.

В современной научной и производственной практике разработан и применяется ряд способов компенсации температурных напряжений таких, как применение более прочных материалов, более совершенных конструкций пил и пильных агрегатов. Среди них выделяется способ создания компенсационных прорезей, как наиболее эффективный и не требующий значительных материальных затрат

Опыт эксплуатации показывает: создание прорезей снижает влияние температурных воздействий, повышая тем самым устойчивость плоской формы равновесия пил продольного пиления. Однако конструкция прорезей выбирается интуитивно, а обоснованность той или иной формы разрезов, как правило, доказывается экспериментальными методами. При этом следует отметить, что критерий оценки эффективности прорезей сам по себе не имеет достаточного обоснования. Поэтому в ряде случаев используются оценочные показатели, не связанные напрямую с возникающими в пиле напряжениями. Характер распределения напряжений, их величина, как правило, остаются неустановленными. Отсутствие знаний о напряженном состоянии затрудняет выбор оптимальных параметров прорезей, обеспечивающих не только компенсацию температурного влияния, но и не снижающих прочностные показатели пильного диска.

Создание компенсационных прорезей в круглых пилах с рациональными размерами и формой способствует повышению качества обработки древесины и снижению затрат на подготовку и эксплуатацию пил в станках.

Цель работы - повышение эффективности эксплуатации круглых дереворежущих пил на основе совершенствования параметров компенсационных прорезей с учетом условий распиловки древесины и требований к качеству подго-

товки пил. В соответствии с поставленной целью определены следующие задачи исследований:

- выполнить анализ отказов бил и установить причины их возникновения;

- произвести анализ факторов, способствующих переходу инструмента в аварийное состояние;

- исследовать и уточнить характер распределения напряжений с учетом конструктивных элементов типа прорезей;

- изучить основные закономерности развития повреждений при натичии в опасных зонах растягивающих напряжений;

- определить показатели трещиностойкости материала пил при статических и циклических нагрузках;

- произвести расчет коэффициентов интенсивности напряжений;

- разработать рекомендации по выбору рациональных параметров прорезей;

- обеспечить внедрение результатов в практику деревообработки.

Решение этих, задач проводилось в соответствии с темой «Разработка путей повышения эксплуатационных свойств дереворежущих пил» (шифр 97-234.1-1), выполняемой по фундаментальным исследованиям в области проблем лесного комплекса, а также в соответствии с планом научно-исследовательских работ АГТУ (г. Архангельск).

Объекты и методы исследования. Объектом исследований являлись круглые дереворежущие пилы с компенсационными прорезями. Для решения поставленных задач применялись следующие методы: теории резания древесины; механики разрушения; теории упругости; метод конечных элементов; методы исследования механических характеристик сталей, используемых для изготовлен™ круглых пил

Научная новизна работы.

1. Уточнены существовавшие ранее представления о напряженном состоянии дисков пил с конструктивными особенностями и получены новые результаты влияния прорезей в дисках в зависимости от различных параметров, характеризующих качество инструмента, технологический процесс пиления.

2. Выявлены основные закономерности перехода пил в неработоспособное состояние. "Уточнены представления о:роли отдельных факторов, способствующих возникновению отказа.

3. Установлены закономерности развития повреждений в зависимости от формы, места расположения и геометрических размеров прорезей.

4. Получены новые значения механических характеристик материала пил, определяющие его способность сопротивляться развитию трещин при статических и динамических нагрузках.

Зпачимость для теории и практики. Разработанные методики определения напряженно-деформированного состояния круглых дереворежущих пил с компенсационными прорезями и оценки их работоспособности дополняют теорию расчета круглых пил с конструктивными элементами и являются базой для их дальнейшего совершенствования. Использование результатов исследований позволит обоснованно производить разработку норм расхода инструмента, режимов подготовки и эксплуатации пил. В практике расчета работоспособности пил могут быть использованы принципы расчета напряжений, скорости развития дефектов, а таюке значения вязкости разрушения инструментальной стали.

Научные положения, выносимые на защиту:

1. Методика расчета напряженно-деформированного состояния пил с компенсационными прорезями, расчета коэффициентов интенсивности напряжений, ресурса работы пил.

2. Методика оценки работоспособности пил с прорезями, основанная на принципах существования начальных дефектов типа трещин.

3. Значения параметров статической и циклической вязкости разрушения

пил.

4. Способ повышения ресурса работы круглых пил, применяемых при поперечной распиловке бревен.

Обоснованность и достоверность научных положений выводов и рекомендаций подтверждается практикой эксплуатации пил. Научные положения основаны на корректных допущениях, не противоречат фундаментальным принципам теории упругости и механики разрушения, результатам ранее выполненных в этой области исследований. При проведении расчетов использованы современные средства вычислений. Достоверность экспериментальных исследований подтверждается общепринятыми значениями показателей статистической обработки результатов и соответствием испытательного оборудования нормативно-технической документации.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены и одобрены на научно-технических конференциях: на Международной конференции «Математическое моделирование в механике деформируемых тел.

Методы граничных и конечных элементов» (г. Санкт-Петербург, 1998 г.), научно-практической конференции «Научно-техническая политика и развитие новых отраслей экономики Архангельской области» (г. Архангельск, 1998 г.), 14th International Wood Machining Seminar (IWMS/14 Франция, 1999 г.) и научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава научных, инженерно-технических работников и аспирантов АГТУ по итогам научно-исследовательских работ за 1997 год (Архангельск, 1998 г.).

Публикации. По материалам диссертации опубликованы девять печатных

работ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, семи разделов, заключения и списка литературы. Содержание работы изложено на 230 страницах машинописного текста, иллюстрировано 133 рисунками и 12 таблицами. Список литературы включает 89 наименований.

Реализация работы. Результаты работы использованы ОАО «Научдрев-пром-ЦНИИМОД» при разработке инструмента для делительного станка ЦЦ-150.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении показана актуальность темы диссертации, сформулированы ее цель, научная новизна и основные положения, выносимые на защиту.

В перзой главе выполнен анализ работ различных авторов, посвященных вопросам оценки работоспособности круглых пил, анализу отказов и факторов, влияющих на их возникновение, сделан обзор существующих методов компенсации температурных напряжений и рассмотрен опыт использования температурных компенсаторов. Выполнен анализ методов исследования напряжений в круглых пилах, методов оценки прочности пил, а также сформулированы цель и задачи исследований. ;

Анализ работоспособности пил: большого диаметра (1000 мм и более), предназначенных для поперечной распиловки бревен, показывает, что их расход, обусловленный разного рода разрушениями, в ряде случаев значительно превышает нормальный, обусловленный затуплением режущих граней.

Для пил продольного пиления малого диаметра (до 500 мм), наряду с отмеченным' видом потери работоспособности, характерным является снижение изгибнон жесткости пильного диска. В результате параметры точности и качест-

ва пиления выходят за область допустимых значений и состояние пилы расценивается как неработоспособное.

Анализ работ, посвященных решению проблем работоспособности инструмента, Ф.М. Манжоса, П.С. Афанасьева, А.Э. Грубе, В.И. Санева, Ю.М. Ста-хиева, А.А.Бершадского, В. К. Пашкова, показал, что к настоящему времени систематическую проработку получили вопросы анализа нагрузочных факторов и их влияние на работоспособность пил. Эти работы составляют в настоящее время основу нормативных документов по изготовлению, подготовке и эксплуатации круглых пил.

К числу наиболее значимых воздействий на пилу относят силы сопротивления резанию, темперагурные воздействия и центробежные силы. Прочие факторы, определяющие работоспособность пилы, (устойчивость, колебания) имеют следственный характер внешних воздействий и начального состояния пильного диска.

Как при продольной распиловке древесины, так и при поперечной распиловке бревен нагрев пил является фактором, в значительной мере определяющим их работоспособность. Для пил с характерным возрастанием температуры к периферии диска опасность представляет ослабление периферийной зоны пилы, следствием чего является потеря плоской формы равновесия. В случае смещения экстремумов температуры во внутреннюю зону пильного диска происходит растяжение зубчатой кромки, что способствует возникновению актов разрушения. Отмеченные обстоятельства определили необходимость разработки мер, направленных на нейтрализацию температурного фактора. Наиболее простым и эффективным является способ создания компенсационных прорезей.

В настоящее время выбор формы, места расположения и размеров прорезей производится методом пробных экспериментов. При этом влияние их на распределение напряжений, прочность, устойчивость и колебания из рассмотрения исключается. А создание прорезей, соответствующих конкретным условиям пиления, не имеет должного обоснования.

Рассмотрев состояние проблемы, проанализировав результаты основных экспериментальных и теоретических исследований можно полагать, что повышение ресурса работы круглых пил путем создания в них прорезей является разрешимой задачей. С этой целью необходимо проведение комплексных исследований процесса перехода пил в нерасчетный режим в зависимости от конструктивных параметров прорезей. Составление расчетной базы на этой основе обеспечит обоснованный выбор рациональных параметров прорезей, соответствую-

щих конкретным условиям пиления, качеству материала пил, качеству их подготовки к работе.

Решение задачи в отмеченной постановке требует проведения исследований в следующих направлениях:

- исследование напряженного состояния пил с учетом прорезей;

- анализ работоспособности пилы с прорезями на базе кинетической концепции прочности;

- расширение знаний в области механических свойств материала, характеризующих его способность сопротивляться распространению трещин;

Во второй главе сформулирована задача исследования напряженного состояния. Приведена методика определения напряжений при плоском нагружении и при изгибных деформациях сплошного диска. Представлено обоснование и выбор принципиальных расчетных схем круглых пил с компенсационными прорезями.

Напряженно-деформированное состояние пильного диска зависит от многих параметров, определяющих процесс пиления (скорость резания, скорость подачи, высота пропила и др.), конструкцию пилы (геометрические параметры зубьев, условия крепления пилы на валу и т.д.), качество подготовки к работе (качество заточки, начальное напряженное состояние). Получение объективных оценок работоспособности требует детального рассмотрения напряженного состояния с учетом всех факторов. Большинство факторов имеет взаимную зависимость, в ряде случаев нелинейную» поэтому целесообразно строить решение для комплексных обобщающих факторов, с которыми напряжения связаны линейной зависимостью.

Исходя из проведенного анализа выполненных ранее работ, в качестве основных нагрузочных факторов принимаются центробежные силы, силы резания, нагрев, поперечные колебания и деформации диска в случае действия боковых сил.

Отмеченные факторы вызывают возникновение двух типов деформации: в плоскости пилы и изгибные.

Изгибные деформации обусловлены действием двух факторов: поперечных колебаний и изгиба диска вследствие действия боковых сил. В том и другом случае решение сводится к интегрированию уравнения:

О

где и1 - функция перемещений серединной поверхности пластины, м; q - интенсивность внешней нагрузки, Н/м2;

Д'Л3 цилиндрическая жесткость диска, Н'М.

~ 12 — )

В общей постановке решение задачи с учетом всех конструктивных элементов пилы аналитическими методами не представляется возможным, поэтому признано целесообразным использование метода конечных элементов. При этом не возникает необходимости вводить ограничения на геометрическую форму контура пилы, характер распределения нагрузок. Как недостаток метода можно отметить лишь необходимость подготовки больших массивов исходных данных. Однако эта сложность может быть в значительной мере преодолена при наличии возможности комбинации аналитических решений для сплошного гладкого диска и диска с конструктивными элементами.

Программа расчета разработана на основе метода перемещений. Для треугольных элементов с шестью степенями свободы функции перемещений в пределах элемента приняты в виде:

где х , у - координаты точек в пределах элемента, м;

от, (/ = 1...6) - коэффициенты, характеризующие деформированное состояние элемента и выраженные через значения узловых перемещений и узловых координат.

Программа обеспечивает возможность рассматривать неоднородную среду, что позволяет на одной и той же расчетной схеме изменять размеры прорезей их форму и место расположения. Вместе с тем программа учитывает действие массовых сил и начальных деформаций.

Разбивка области на элементы производилась вручную с той целью, чтобы в местах высоких градиентов напряжений создать сгущенную сетку разбивки.

Рассмотреть напряженное состояние всех конструкций пил с прорезями, разработанных различными авторами в кашей стране и за рубежом, весьма затруднительно. Поэтому все виды прорезей систематизировались по расположению ослабленных зон (рис.1): ослабленная центральная (а, г), средняя (б, д) и периферийная (в, е) зоны.

(2)

В зависимости от

г

а б в

Рис.1. Расчетные схемы

л

е

положения компенсаторов относительно радиуса нами предложены два вида принципиальных схем конструкций прорезей -радиальные (рис.1 а, б, в), расположенные на радиусах или направлениях близких к ним, и кольцевые (рис.1 г, д, е), расположенные на окружностях или приближенные к ним.

В третьей главе содержатся результаты расчета напряжений, и анализ напряженного состояния пил с прорезями различной конструкции.

Отдельно рассматривается действие центробежных сил, сил резания, нагрева, колебаний и изгиба диска, вызванного действием боковых сил. Такой подход обеспечивает возможность оценить степень влияния каждого из факторов. Полагается, что концентрация напряжений в межзубовых впадинах и в концах прорезей не зависит от нагрузочного фактора. Это дает возможность ввести функции влияния. Они определены как отношение местных напряжений к номинальным на протяжении зоны возмущенного напряженного состояния для какого-либо одного вида нагружения. Полное напряжение определяется как произведение суммы напряжений от всех факторов на значение функции влияния в данной точке пилы.

Дана оценка влияния способов закрепления. Установлено, что наибольшие напряжения возникают при свободной посадке. При анализе изгибных деформаций рассматривается жесткое защемление по окружности зажимных шайб.

Вследствие различия условий нагрева пил рассмотрены диски для продольной распиловки древесины и диски для поперечной распиловки бревен.

Выполнен анализ распределения напряжений от действия отдельных нагрузочных факторов в дисках с различными видами компенсационных прорезей. Рассмотрено влияние различных конструктивных параметров прорезей на величину напряжений на линии дна межзубовых впадин.

Анализ влияния радиальных прорезей на величину опасных растягивающих напряжений в пилах поперечного пиления показал, что максимальное снижение напряжений (на 45 %), по сравнению с напряжениями в сплошном диске, обеспечивается созданием четырех внешних радиальных прорезей (рис.1, в), вершина которых располагается в зоне максимальных температур (длина прорези 1=0,3611).

Создание радиальных прорезей во внутренней области, а также выходящих на внутренний контур пилы (рис.1, а, б), приводит к увеличению опасных напряжений по сравнению с диском без прорезей (рис.2).

Рис.2. Распределение полных тангенциальных напряжений в пилах поперечного пиления: 1 -с четырьмя радиальными прорезями, выходящими на внутренний контур; 2 - то же во внутренней области пилы; 3 - без прорезей; 4 - с четырьмя внешними радиальными прорезями

Создание кольцевых прорезей любой конструкции в пилах поперечного пиления с целью снижения опасных растягивающих напряжений не представляется целесообразным, так как максимальное снижение напряжений, по сравнению с диском без прорезей, не превышает 2 %.

В пилах продольного пиления суммарные тангенциальные напряжения в зоне зубчатого венца при любых эксплуатационных воздействиях оказывается отрицательными. Создание любых прорезей не обеспечивает полной компенсации этих напряжений, однако, они могут быть значительно уменьшены (рис.3).

Сравнительный анализ напряженного состояние пил с радиальными прорезями различной длины, количества и расположения показал, что наибольшей эффективностью обладают прорези, выходящие на внешний контур диска (рис.3). Создание шести внешних радиальных прорезей длиной Ь=0,24К обеспечивает снижение опасных напряжений на 50 %. Возникающие при этом в вершине прорези местные напряжения могут создавать угрозу разрушения. По мере увеличения длины внешних прорезей интенсивность снижения опасных напряжений в зоне зубчатого венца уменьшается. Уменьшение количества внешних

радиальных прорезей, а также смещение прорезей во внутреннюю область и к внутреннему контуру пилы снижает их эффективность.

На рис 1, е представлен диск с кольцевыми прорезями, расположенными на периферии, на двух окружностях (по восемь на каждой), причем прорези внутреннего ряда располагаются напротив перемычек между прорезями внешнего ряда, создавая при этом барьер на пути распространения температуры. Такая конструкция обеспечивает снижение напряжений, вызывающих потерю устойчивости, на 30 % по сравнению с диском без прорезей. Смещение прорезей в среднюю и центральную зоны (рис. 1, г, д) снижает их эффективность. Расчетами установлено, что кольцевые прорези расположенные в один или два ряда, не препятствующие радиальному распространению температуры, значительно менее эффективны, чем представленные на рис. 1, е.

Оценка работоспособности пил продольного пиления с прорезями на базе методов механики разрушения требует более тщательного изучение механических свойств стали, применяемой для изготовления круглых пил.

Четвертая глава посвящена исследованию механических свойств материала пил, определяющих его способность сопротивляться развитию трещин при статических и циклических нагрузках. Выполнен анализ существующих методов исследования вязкости разрушения и установлено, что для пил малой толщины сведения по этим характеристикам отсутствуют.

Основными характеристиками для оценки способности материала тормозить развитие трещин являются: критический коэффициент интенсивности напряжений при плоском напряженном состоянии (кс) и критический коэффициент интенсивности напряжений при объемном напряженном состоянии в случае плоской деформации (к1с). В литературных источниках в настоящее время со-

держатся сведения о вязкости разрушения для рамных пил толщиной 1,2+1,6 мм (сталь 9ХФ), 2+2,2 мм (9ХФМ) и пил большого диаметра толщиной 5+5,5 мм. Так как кс зависит от толщины образца и не является в полном смысле характеристикой материала, распространение имеющихся результатов на пилы толщиной 1 мм не представляется возможным.

Вязкость разрушения определялась согласно действующему стандарту, где обоснованы оптимальные размеры образцов и способы обработки экспериментальных данных.

Образцы выполнялись из полотна круглых пил. Изготовление образцов производилось механической обработкой без применения термических способов обработки металла. Тем самым исключалась возможность изменения структур и свойств материала образцов, при их изготовлении.

Испытания были проведены на испытательной машине марки ЦЦМ-5 с точностью измерения нагрузки до 1 %.

Среднее значение разрушающей нагрузки Рср=263,14 кг. Среднее значение критического коэффициента интенсивности напряжений для образцов малой толщины стали 9ХФ с твердостью в пределах 39+44 НЫС (ГОСТ 980-80) кс =1(Ц2МПа-м/1\ По сравнению с вязкостью разрушения рамных пил толщиной 1,2+1,6 мм и пил большого диаметра толщиной 5+5,5 мм полученное значение оказывается соответственно на 40 % и 20 % ниже.

Эксплуатация пил характеризуется переменной нагруженностыо. Переменную составляющую напряженного состояния, как отмечено ранее, создают силы резания, изгибные колебания диска. В этой связи возникает необходимость анализа роста трещин в усталостном режиме.

Наибольший практический интерес представляет стадия устойчивого роста, так как она занимает значительный период жизни пилы. К началу эксплуатации пилы трещина, как правило, уже сформирована в процессе изготовления пилы (насечка зубьев, закалка и т.д.) и в процессе ее подготовки к работе (заточка, плющение, напайка пластинок и т.д.). При этом основной характеристикой, которая может определять период работы пилы, является скорость развития трещины в устойчивом режиме.

Цель проведения указанных исследований состояла в проверке применимости теоретических положений о скорости разрушения к расчету круглых пил малого диаметра с внешними радиальными прорезями.

Экспериментальная установка выполнена на базе испытательной машины УМЭ-10ТМ. Она состоит из специального механизма, позволяющего нагружать испытываемый образец по типу растяжение-сжатие с частотой 16 Гц.

Измерение длины трещины в процессе испытания производилось с помощью микроскопа через N циклов нагружения с точностью до 0,05 мм. При этом прирост трещины Д1 не превышал 1 мм. Средняя скорость роста трещины на указанном интервале подсчитывалась по формуле

Д1 (3)

' N

Результаты определения скорости роста трещин представлены на рис.4. При отнулевом цикле коэффициенты интенсивности варьировались в пределах от 20 до 58 МПа- м-^ .

уэ-ю-3,

мм/цикл 3,5 3,0 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 0

1 _ _ /

у = ЗЕ-09х4 -5Е-07х3 + 4Е-Р?2 = 0.8 )5х2-0,0011х + 399 0,0119

г

. /

У'

к ,МПа-м^

0 20 40 60 80

Рис.4. Результаты определения скорости развития трещин Закономерности развития трещин, обнаруженные в эксперименте показывают, что при любых циклах нагружений существует такое значение коэффициента интенсивности напряжений, ниже которого рост трещины не происходит. Эта величина является пороговым коэффициентом интенсивности напряжений

(к*)- "г

Для его определения образцы нагружали начиная от высоких уровней напряжений, при которых скорость роста трещины составляла около 103 мм/цикл. Затем нагрузку снижали до тех пор, пока скорость распространения трещины не оказывалась равной или близкой к нулю.

Считается, что значение порогового коэффициента интенсивности достигнуто, если у<10"7 мм/цикл. Установлено, что этой скорости соответствует

к:ь=18,8 МПа-м^. Эта величина является механической характеристикой материала и ее определение представляет практический интерес в том смысле, что если выполняется условие

к, <кЛ, (4)

где к, - коэффициент интенсивности напряжений для трещин нормального отрыва, то рост трещины не происходит и пила при наличии дефекта типа трещины может эксплуатироваться неограниченно долго.

В пятой главе приведены результаты исследования процесса разрушения пил с компенсационными прорезями, определено влияние различных факторов на величину коэффициентов интенсивности напряжений для трещин нормального отрыва и выполнен анализ скорости развития трещин в зависимости от различных расчетных параметров.

В результате анализа методов определения коэффициентов интенсивности напряжений признано целесообразным применение метода сечений, предложенного Е.М. Морозовым. Метод основывается на равновесии сил в сечении, проходящем через конец трещины. Условие равновесия имеет вид

к.сй (5)

/т/йТИ'

где а„ - нормальное к поверхности трещины напряжение, МПа;

8 - координата на линии развития трещины, м;

1 - длина трещины, м;

с - длина возмущенной зоны напряженного состояния, в пределах которой напряжения подчиняются асимптотическому закону, м.

Функция напряжений сп имеет сложный характер, поэтому в расчетах используется ее аппроксимация в форме полинома Лагранжа.

Анализ результатов расчетов показывает, что с увеличением длины трещины во всех рассмотренных случаях значения к, возрастают. Наибольшая интенсивность возрастания наблюдается при малых длинах трещин, то есть при тех длинах, которые оказываются в зоне концентрации напряжений, обусловленных наличием межзубовых впадин или вершин прорезей. По мере выхода трещины из этой зоны уровень напряжений падает и интенсивность возрастания к, снижается (рис.5).

Рассмотрение влияния положения радиальных прорезей показало, что наименьшие коэффициенты интенсивности напряжений получены в пилах с внешними радиальными прорезями.

В эксплуатационных условиях возникающие в пиле напряжения являются

переменными во времени. Для определения скорости роста трещин используется формула, предложенная Г.П. Черепановым:

где

<1п'

-к?.

к2-к2 • + 1п- 1тй*

к2 -к2

(6)

к1тах, к1тЬ - максимальный и минимальный за цикл нагружения коэффициенты интенсивности напряжений; п - число циклов нагружения;

р - характеристика материала, определяющая приращение длины трещины за цикл нагружения.

МПа • м/:

1

Сплошной диск \

—------- \

\ 1

Рис.5. Влияние положения радиальных прорезей на максимальные коэффициенты интенсивности напряжений: 1 - прорези выходят на внутренний контур пилы; 2 - прорези выполнены во внутренней области пилы; 3 - внешние радиальные прорези

1, мм

Результаты расчетов показали, что конструкция пилы с четырьмя внешними радиальными прорезями, конец которых располагается в области максимального нагрева пилы поперечного пиления (Ь=0,36Я), при прочих равных условиях обеспечивает снижение скорости развития трещины на 90 % по сравнению со сплошным диском. Снижение поперечной деформации способствует снижению скорости распространения трещин (рис.6).

Повышение частоты вращения такой пилы также обеспечивает снижение скорости развития трещин. Это объясняется тем, что напряжения от действия центробежных сил, возникающие на линии дна межзубовых впадин, в рассматриваемом сечении оказываются сжимающими и их увеличение рассматривается как положительный фактор, гак как суммарные напряжения при этом снижаются.

В диске для продольной распиловки древесины с внешними радиальными прорезями в опасном сечении уменьшение поперечной деформации с А=2,5 мм

до А=1 мм обеспечивает значительное (в 80-100 раз) снижение скорости развития трещины.

Рис.б. Влияние поперечной деформации на скорость развития трещин в пилах поперечного пиления (Ь=0,3611)

0 0.2 0,4 0,6 0,8 1, мм

В шестой главе выполнена оценка работоспособности пил с компенсационными прорезями, рассмотрено влияние различных факторов на ресурс работы пил поперечного и продольного пиления, а также влияние конструкции прорезей на частоту собственных колебаний. На основе выполненных исследований приведено обоснование конструктивных параметров компенсационных отверстий, обеспечивающих повышение ресурса работы пильного инструмента с учетом соответствующих параметров пиления.

В условиях статического нагружения наступление предельного состояния связывается с переходом трещины в режим неустойчивого развития, при котором ее рост происходит при постоянной или снижающейся нагрузке. Разрушение происходит при

к, =кс (7)

Практика эксплуатации показывает, что к,«кс, и разрыв полотна - это заключительная фаза длительного процесса разрушения, связанного с зарождением и устойчивым развитием магистральной трещины. Поздние стадии характеризуются более высокими и все возрастающими скоростями роста трещин, при этом предотвратить полное разрушение инструмента представляется очень трудным или вообще невозможным. Используя условие (7), по формуле (5) определяется критическая длина трещины 1 = 1,,,, за которой рост ее происходит в неустойчивом режиме. При этом период работы пилы до полного ее разрушения, в циклах нагружения определяется по формуле

I у ■о

где 10 - начальный размер трещины, м;

1 - длина трещины, к моменту образования которой определяется число циклов, м.

Источники трещин - очаги накопления микроскопических дефектов в кромке пилы. В качестве размера начального дефекта 10 принимается величина риски, получаемой при заточке инструмента. В соответствии с требованиями ГОСТ 980-80 Кг устанавливается в пределах до 20 мкм. Однако в практике подготовки пил эта величина превышает нормативные и достигает 100-120 мкм.

Снижение качества обработки поверхности заточки уменьшает период работы пилы, при этом ресурс работы пилы с прорезями (Ь=0,3611) при =120 мкм оказывается в 11,6 раза больше по сравнению со сплошной пилой (рис.7).

N/10 цикл 6,02

Рис.7. Влияние величины начального дефекта на ресурс работы пил

20 40 60 80 юо 10)МКМ

На ранних стадиях рост трещин происходит с малыми скоростями и размеры трещин таковы, что не создают угрозы полного разрушения. Поэтому вопрос сохранения работоспособности пил должен решаться на ранних стадиях развития повреждений и заключается в управлении процессом и принятии мер, исключающих перерастание трещин в аварийные.

Наиболее опасные начальные дефекты возникают в зоне заточки инструмента. Поэтому развитие трещин в пределах толщины снимаемого при заточке слоя (5) обеспечивает безопасную работу пилы на протяжении всего периода эксплуатации, при этом 6 считается предельно допустимой длиной трещины. Условие безопасной работы пилы

1 <5. (9)

В отличие от классических критериев наступления опасного состояния приведенный критерий содержит в себе не только механические характеристики материала, но и геометрические параметры дефектов, а также число циклов на-гружения, технологические параметры и параметры, связанные с подготовкой пил к работе.

Определена зависимость ресурса работы пилы от количества и длины прорезей при 10=О,О2мм, 1=1 мм. Наибольшей эффективностью обладают четыре внешние радиальные прорези длиной Ь=0,361?. (рис.8).

Расчеты показали, что ресурс работы пилы поперечного пиления с четырьмя внешними радиальными прорезями при воздействии таких технологических факторов, как частота вращения, нагрев, поперечная деформация, оказывается выше, чем период работы сплошного диска, не менее чем в 3 раза. При этом рекомендуемая длина прорезей может приниматься ниже максимально эффективной Ь=0,36Т1. Согласно критерию (9) обеспечить работоспособность пилы на всем периоде эксплуатации позволяют прорези длиной 1=0,2411.

№103

Рис.8. Влияние чикл 6

количества внешних радиальных 5 прорезей на ре- 4 сурс работы пилы (1о=0,02мм, 1=1 мм)

2 1 0

0 2 4 6 количество

прорезей

Наряду с возникновением и развитием трещин причиной потери работоспособности являются колебания диска пилы, приводящие не только к увеличению действующих напряжений, но и, вследствие цикличности, ускоряющие процессы развития дефектов. Колебания диска, кроме снижения прочности, могут также приводить к существенному ухудшению точности и шероховатости поверхностей пропила, вследствие возникновения резонансных явлений. Для отстройки пилы от резонансных частот необходимо знание частот собственных колебаний пил.

Колебания зонтичные и с узловыми кольцами встречаются в практике редко и возникают при недостаточной жесткости пильного диска. Наиболее час-

то встречаются и наиболее опасны колебания с узловыми диаметрами. Теоретическое определение частот собственных колебаний пил с прорезями представляется возможным лишь с применением метода конечных элементов. В данном случае была использована программа Лира-5.03. Результаты расчетов показали, что создание узких радиальных прорезей малой длины и кольцевых прорезей не приводит к каким-либо существенным изменениям частот собственных колебаний, происходящих без узловых окружностей по зонтичной форме, с одним и двумя узловыми диаметрами,. По сравнению с диском без прорезей, наибольшее изменение частоты собственных колебаний диска с одним узловым диаметром (на 11 %) наблюдается в конструкции с двумя внешними радиальными прорезями, выполненными до зажимных фланцев.

В седьмой главе приведен расчет экономического эффекта, который может быть получен при использования результатов данной работы на Архангельском целлюлозно-бумажном комбинате. Он составит около 1млн.243,7 тыс. руб. в год в ценах на 1января 2000 г.

ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ

1. Разработаны методики расчета напряжений и принципиальные расчетные модели, позволяющие исследовать влияние конструктивных параметров прорезей на напряженно-деформированное состояние пильного диска с применением численного моделирования.

2. Установлено, что прорези любой конструкции при любых условиях эксплуатации не могут полностью исключить возникновение температурных напряжений. Однако при соответствующем выборе параметров прорезей температурные напряжения могут быть уменьшены так, что работоспособность пилы окажется обеспеченной.

3. Теоретические исследования напряженного состояния и сравнительный анализ различных конструкций компенсационных прорезей показали, что наибольшей эффективностью обладают прорези, расположенные в периферийной зоне диска.

4. Определены значения вязкости разрушения для пил малой толщины и подтверждена зависимость этого показателя от толщины образца. Установлено, что для пил толщиной в пределах 1-5-1,5 мм могут быть использованы значения вязкости разрушения =103,2МПа -м^.

5. Эксперимеитатыго для тонких пил определены пороговые значения вязкости разрушения (kth = 18,8МПа ■ tt/2 ). В пилах продольного пиления в нормальных эксплуатационных условиях коэффициенты интенсивности напряжений не превосходят значений пороговых коэффициентов и условий развития повреждений в этих пилах не возникает.

6. Установлены зависимости ресурса работы поперечных пил от конструктивных параметров прорезей и технологических параметров пиления.

7. Определены значения частот собственных колебаний пил с прорезями различной конструкции при отсутствии внешних воздействий. Установлено, что создание узких кольцевых прорезей и радиальных прорезей малой длины не приводит к существенному изменения частот собственных колебаний без узловых окружностей по зонглчной форме, с одним и двумя узловыми диаметрами.

8. Разработан способ повышения ресурса работы поперечных пил путем создания компенсационных прорезей. Определены и обоснованы эффективные конструктивные параметры прорезей. Рекомендуется в пилах диаметром 1500 мм использовать четыре внешние радиальные прорези длиной 200 мм.

9. Ожидаемый экономических эффект, в случае использования разработанных рекомендаций на Архангельском целлюлозно-бумажном комбинате, составит 1 млн. 243,7 тыс. руб. в год в ценах на 1 января 2000 года.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1. Соловьев В.В., Пустовалова М.А. Влияние радиальных компенсационных прорезей в круглых пилах большого диаметра на их работоспособность // Деревооб. пром-сть - 1999, № 4. - С.21-23.

2. Soloviev V., Pustovalova M. Serviceability Evaluation of Circular Saws with Compensation Slots// 14th International Wood Machining Seminar (IWMS/14), Paris, Epinal, Cluny - France, 1999. - Vol.2. - P. 781-785.

3. Пустовалова М.А. Оценка прочности дереворежущих пил // Математическое моделирование в механике деформируемых тел. Методы граничных и конечных элементов: тез. докл. XVI Междунар. конф. - Санкт-Петербург, 1998. -Т. 2.-С. 129-130.

4. Соловьев В.В., Пустовалова М.А. Обоснование эффективных конструктивных параметров дисковых пил // Научно-техническая политика и развитие

новых отраслей экономики Архангельской области: тез. докл. науч.-практ. конф. Архангельск, 1998. - С. 48.

5. Соловьев В.В., Пустовалова М.А. О распределении напряжений в дереворежущих дисковых пилах с компенсационными прорезями // Технология и оборудование деревообрабатывающих производств: Межвуз. сб. науч. тр. -Санкт-Петербург, 1998. - С. 12-16.

6. Пустовалова М.А., Соловьев В.В. Распределение напряжений в дереворежущих пилах с кольцевыми компенсационными прорезями // Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов: сб. науч. тр. - Вып. IV. - Архангельск, 1998. - С.46-52.

7. Соловьев В.В., Пустовалова М.А. Исследование коэффициентов интенсивности напряжений в дисковых пилах большого диаметра с компенсационными прорезями // Технологические процессы и оборудование лесопильно-деревообрабатывающих производств: сб. науч. тр. - Архангельск, 1999. - С. 121-

8. Соловьев В.В., Пустовалова М.А. К вопросу о распределении напряжений от боковых сил в дисковых пилах большого диаметра с компенсационными прорезями // Там же. - С. 126-129.

9. Соловьев В.В., Пустовалова М.А. Влияние конструкции компенсационных отверстий в дисках пил большого диаметра на частоту собственных колебаний // Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов: сб. науч. тр. - Архангельск, 1999 - Вып. V. - С.80-84

Отзывы на автореферат в двух экземплярах с заверенными гербовой печатью подписями просим направлять по адресу:

194018, Санкт-Петербург, Институтский пер.5, Лесотехническая академия, Ученый совет.

126.

ВВЕДЕНИЕ.

1. АНАЛИЗ РАБОТОСПОСОБНОСТИ ДИСКОВЫХ ПИЛ

1.1 Виды отказов и факторы, влияющие на их возникновение

1.2 Нагрев пил и способы его компенсации.

1.3 Анализ методов исследования напряжений в дисковых пилах.

1.4 Анализ методов оценки прочности пил.

1.5 Выводы, цель и задачи исследования.

2. НАПРЯЖЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ДИСКОВЫХ ПИЛ С КОМПЕНСАЦИОННЫМИ ПРОРЕЗЯМИ

2.1 Постановка задачи.

2.2 Основные расчетные зависимости метода конечных элементов.

2.3 Определение напряжений в сплошном диске с гладким внешним контуром при плоском нагружении.

2.4 Напряжения при изгибных деформациях сплошного диска.

2.5 Обоснование и выбор принципиальных расчетных схем дисковых пил с компенсационными прорезями.

2.6 Выводы.

3. АНАЛИЗ НАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ ПИЛЬНОГО ДИСКА

3.1 Влияние способа закрепления пильного диска на величину напряжений.

3.2 Напряженное состояние пил с радиальными прорезями.

3.2.1 Действие центробежных сил.

3.2.2 Действие температурного фактора.

3.2.3 Действие сил резания.

3.2.4 Действие изгибных деформаций.

3.2.5 Суммарные напряжения.

3.3 Напряженное состояние пил с кольцевыми прорезями.

3.3.1 Действие центробежных сил.

3.3.2 Действие температурного фактора.

3.3.3 Действие сил резания.

3.3.4 Действие изгибных деформаций.

3.3.5 Суммарные напряжения.

3.4 Выводы.

4. ИССЛЕДОВАНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ СТАЛИ, ПРИМЕНЯЕМОЙ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ КРУГЛЫХ ПИЛ

4.1 Анализ механических характеристик материала пил.

4.2 Характеристики трещин

4.3 Исследование трещиностойкости стали для трещин первого типа.

4.3.1 Методика испытаний.

4.3.2 Результаты испытаний.

4.4 Экспериментальное исследование скорости роста трещин.

4.4.1 Методика проведения испытаний.

4.4.2 Результаты испытаний.

4.5 Выводы.

5. ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА РАЗРУШЕНИЯ ПИЛ С КОМПЕНСАЦИОННЫМИ ПРОРЕЗЯМИ

5.1 Коэффициенты интенсивности напряжений для трещин нормального отрыва.

5.2 Влияние различных факторов на величину коэффициентов интенсивности напряжений.

5.2.1 Влияние конструктивных параметров радиальных прорезей на величину максимальных коэффициентов интенсивности напряжений.

5.2.2 Влияние технологических параметров пиления на величину максимальных коэффициентов интенсивности напряжений в пилах с внешними радиальными прорезями.

5.3 Анализ скорости развития трещин в зависимости от различных расчетных параметров.

5.3.1 Влияние конструктивных параметров радиальных прорезей на скорость распространения усталостной трещины.

5.3.2 Влияние технологических параметров пиления на скорость распространения усталостной трещины в пилах с внешними радиальными прорезями.

5.4 Выводы.

6. ОЦЕНКА РАБОТОСПОСОБНОСТИ ПИЛ

6.1 Оценка ресурса работы пил.

6.2 Влияния различных факторов на работоспособность пил поперечного пиления.

6.3 Оценка работоспособности пил продольного пиления.

6.4 Влияние компенсационных прорезей на частоту собственных колебаний пил.

6.5 Обоснование конструктивных параметров компенсационных прорезей.

6.5.1 Обоснование параметров пил, предназначенных для поперечной распиловки бревен.

6.5.2 Обоснование параметров пил для продольной распиловки древесины.

7. ПРЕДПОЛАГАЕМЫЙ ЭКОНОМИЧЕСКИЙ ЭФФЕКТ.

ВЫВОДЫ.

Актуальность темы. Одной из важнейших задач современного деревообрабатывающего производства является повышение производительности круглопильных станков за счет улучшения эксплуатационных свойств дереворежущего инструмента и оптимального выбора режимов резания. Практика эксплуатации круглых пил показывает, что до 40 % аварийного расхода пил, и до 50 % брака продукции обусловлено недостаточной работоспособностью инструмента. Многочисленными экспериментальными и теоретическими исследованиями доказано, что основной причиной потери работоспособности круглых пил, оказываются температурные напряжения, вызванные неравномерным нагревом пильного диска.

В современной научной и производственной практике разработан и применяется ряд способов компенсации температурных напряжений, таких как применение более прочных материалов, более совершенных конструкций пил и пильных агрегатов. Среди них как наиболее эффективный и не требующий значительных материальных затрат выделяется способ создания компенсационных прорезей.

Опыт эксплуатации показывает: создание прорезей снижает влияние температурных воздействий, в смысле повышения устойчивости плоской формы равновесия про до л ьных^ пил. Однако конструкция прорезей выбирается интуитивно, а обоснованность той или иной формы разрезов, как правило, доказывается экспериментальными методами. При этом следует отметить, что критерий оценки эффективности прорезей сам по себе не имеет достаточного обоснования. Поэтому в ряде случаев используются оценочные показатели, не связанные напрямую с возникающими в пиле напряжениями. Характер распределения напряжений их величина, как правило, остаются неустановленными. Отсутствие знаний о напряженном состоянии затрудняет выбор оптимальных параметров прорезей, обеспечивающих не только компенсацию температурного влияния, но и не снижающих прочностные показатели пильного диска.

Создание компенсационных прорезей в круглых пилах с рациональными размерами и формой способствует повышению качества обработки древесины и снижению затрат на подготовку и эксплуатацию пил в станках.

Цель работы - повышение эффективности эксплуатации круглых дереворежущих пил на основе совершенствования параметров компенсационных прорезей с учетом условий распиловки древесины и требований к качеству подготовки пил. В соответствии с поставленной целью определены следующие задачи исследований:

- выполнить анализ отказов пил и установить причины их возникновения;

- произвести анализ факторов способствующих переходу инструмента в аварийное состояние;

- исследовать и уточнить характер распределения напряжений с учетом конструктивных элементов типа прорезей;

-изучить основные закономерности развития повреждений при наличии в опасных зонах растягивающих напряжений;

-определить показатели трещиностойкости материала пил при статических и циклических нагрузках;

- произвести расчет коэффициентов интенсивности напряжений;

-разработать рекомендации по выбору рациональных параметров прорезей;

- обеспечить внедрение результатов в практику деревообработки.

Решение этих задач проводилось в соответствии с темой «Разработка путей повышения эксплуатационных свойств дереворежущих пил» (шифр 97-23-4.1-1), выполняемой по фундаментальным исследованиям в области проблем лесного комплекса, а также в соответствии с планом научно-исследовательских работ АГТУ (г. Архангельск).

Объекты и методы исследования. Объектом исследований являются круглые дереворежущие пилы с компенсационными прорезями. Для решения поставленных задач применялись следующие методы: теории резания древесины; механики разрушения; теории упругости; метод конечных элементов; методы исследования механических характеристик сталей, используемых для изготовления круглых пил.

Научная новизна работы.

1. Уточнены существовавшие ранее представления о напряженном состоянии дисков пил с конструктивными особенностями и получены новые результаты о влиянии прорезей в дисках в зависимости от различных параметров, характеризующих качество инструмента, технологический процесс пиления.

2. Выявлены основные закономерности перехода пил в неработоспособное состояние. Уточнены представления о роли отдельных факторов, способствующих возникновению отказа.

3. Установлены закономерности развития повреждений в зависимости от формы, места расположения и геометрических размеров прорезей.

4. Получены новые значения механических характеристик материала пил, определяющие его способность сопротивляться развитию трещин при статических и динамических нагрузках.

Научные положения, выносимые на защиту:

1. Методика расчета напряженно-деформированного состояния пил с компенсационными прорезями, расчета коэффициентов интенсивности напряжений, ресурса работы пил.

2. Методика оценки работоспособности пил с прорезями, основанная на принципах существования начальных дефектов типа трещин.

3. Параметры статической и циклической вязкости разрушения пил.

4. Способ увеличения ресурса работы круглых пил при поперечной распиловке древесины.

Обоснованность и достоверность научных положений выводов и рекомендаций подтверждается практикой эксплуатации пил. Научные положения основаны на корректных допущениях, не противоречат фундаментальным принципам теории упругости и механики разрушения, результатам ранее выполненных в этой области исследований. При проведении расчетов использованы современные средства вычислений. Достоверность экспериментальных исследований подтверждается общепринятыми значениями показателей статистической обработки результатов и соответствием испытательного оборудования нормативно-технической документации.

Значимость для теории и практики. Разработанные методики определения напряженно-деформированного состояния круглых дереворежущих пил с компенсационными прорезями и оценки их работоспособности дополняют теорию расчета круглых пил с компенсационными прорезями и являются базой для их дальнейшего совершенствования. Использование теоретических разработок и результатов исследований позволит обоснованно производить разработку норм расхода инструмента, режимов подготовки и эксплуатации пил. В практике расчета работоспособности пил могут быть использованы принципы расчета напряжений, скорости развития дефектов, а также значения вязкости разрушения инструментальной стали.

Результаты работы использованы ОАО «Научдревпром-ЦНИИМОД» при разработке инструмента для делительного станка ЦД-150.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены и одобрены на научно-технических конференциях, в том числе на 14th International Wood Machining Seminar (IWMS/14 Франция, 1999 г.), Международной конференции «Математическое моделирование в механике деформируемых тел. Методы граничных и конечных элементов» г. Санкт-Петербург, 1998 г.), научно-практической конференции «Научно-техническая политика и развитие новых отраслей экономики Архангельской области» (г. Архангельск, 1998 г.).

Публикации. По материалам диссертации опубликованы девять печатных работ.

Аннотация.

Анализ работоспособности пил большого диаметра (1000 мм и более), предназначенных для поперечной распиловки бревен, показывает, что их расход обусловленный разного рода разрушениями в ряде случаев значительно превышают нормальный, обусловленный затуплением режущих граней.

Для пил продольного пиления (малого диаметра до 500 мм) наряду с отмеченным видом потери работоспособности, характерным является снижение изгибной жесткости пильного диска. В результате происходит выход параметров точности и качества пиления за область допустимых значений и состояние пилы расценивается как неработоспособное.

Отмеченные отказы являются следствием обширного комплекса причин, имеющих тесные взаимосвязи. В них можно выделить две основные группы. Первую составляют факторы, связанные с изготовлением и подготовкой инструмента к работе. Влияние этих факторов может быть значительно снижено повышением культуры производства на всех стадиях. Вторая группа причин определяется режимами пиления. Анализ причин этой группы представляется наиболее сложным и в тоже время представляет собой основу выбора оптимальных режимных параметров, удовлетворяющих требованиям точности и качества пиления, производительности и надежности инструмента.

Анализ работ, посвященных решению проблем работоспособности инструмента Ф.М. Манжоса, П.С. Афанасьева, А.Э. Грубе, В.И. Санева, Ю.М. Стахиева, А.А.Бершадского, показал, что к настоящему времени систематическую проработку получили вопросы анализа нагрузочных факторов, и степень их влияния на работоспособность пил. Они составляют в настоящее время основу нормативных документов по изготовлению, подготовке и эксплуатации дисковых пил.

К числу наиболее значимых воздействий на пилу относят силы сопротивления резанию, температурные воздействия и центробежные силы. Прочие факторы, определяющие работоспособность пилы, (устойчивость, колебания) имеют следственный характер внешних воздействий и начального состояния пильного диска.

Как при продольной распиловке древесины, так и при поперечной распиловке бревен нагрев пил является фактором, в значительной мере определяющим их работоспособность.

Для пил с характерным возрастанием температуры периферии диска опасность составляет ослабление периферийной зоны пилы вплоть до потери плоской формы равновесия.

В случае смещения экстремумов температуры во внутреннюю зону пильного диска происходит растяжение зубчатой кромки, что способствует возникновению актов разрушения.

Отмеченные обстоятельства определили необходимость разработки мер, направленных на нейтрализацию температурного фактора, таких как применение более прочных материалов, более совершенных конструкций пил и пильных агрегатов. Среди них как наиболее эффективный и не требующий значительных материальных затрат выделяется способ создания компенсационных прорезей.

В настоящее время выбор формы, места расположения и размеров прорезей производится методом пробных экспериментов. При этом влияние их на распределение напряжений, прочность, устойчивость и колебания из рассмотрения исключается. А создание прорезей, соответствующих конкретным условиям пиления, не имеет должного обоснования.

Отсутствие представления о характере распределения напряжений в диске при наличии прорезей затрудняет выбор режимов пиления, оптимальных параметров конструкции пилы.

При любом подходе к решению указанной проблемы основой ее решения остается задача оценки прочности.

Исходя из предпосылок о наличии начальных дефектов и возможности их распространения, задача исследования процесса разрушения и на этой основе оценки состояния пилы с прорезями потребовала решения следующих вопросов: исследование коэффициентов интенсивности напряжений на фронте трещины; исследование механической характеристики пильной стали, определяющей способность ее сопротивляться распространению трещин (вязкость разрушения); изучение скорости развития трещины усталости и определение ресурса работы пилы в зависимости от различных расчетных параметров.

Для решения поставленных вопросов необходимо знание законов распределения напряжений в диске пилы с учетом конструктивных особенностей типа прорезей.

Анализ работ, посвященных исследованию напряжений в дисковых пилах, показывает, что ряд вопросов, связанных с учетом различных факторов требует дальнейшего развития, а отдельные результаты нуждаются в уточнении. На данном этапе представляется целесообразным для анализа напряженного состояния использовать численные методы. Наиболее эффективным в настоящее время является метод конечных элементов.

При этом не возникает необходимости вводить ограничения на геометрическую форму контура пилы, характера распределения нагрузок. Как недостаток метода можно отметить лишь необходимость подготовки больших массивов исходных данных. Однако эта сложность может быть в значительной мере преодолена при наличии возможности комбинации аналитических решений для сплошного диска с гладким внешним контуром и диска с конструктивными особенностями. При этом можно полагать так же, что концентрация напряжений не зависит от вида нагружения. Основываясь на ранее выполненных работах, в качестве основных нагрузочных факторов принимаются центробежные силы, силы резания, нагрев, поперечные колебания и деформации диска в случае перебазирования сырья. Полагая независимость отмеченных факторов, а также то, что материал вплоть до разрушения следует закону Гука, считаем справедливым применение принципа суперпозиции.

Рассмотреть напряженное состояние всех, предложенных к настоящему времени авторскими свидетельствами, конструкций пил с прорезями не представляется возможным. Однако с достаточной обоснованностью можно предположить, что создание принципиальных моделей позволяет произвести качественную оценку влияния конструктивных параметров прорезей на напряжения от действия отдельных нагрузочных факторов.

Таким образом, приведенные данные свидетельствуют о необходимости проведения исследований всего комплекса причин, способствующих переходу инструмента в аварийное состояние. Для выработки практических рекомендаций по предотвращению потери работоспособности, потери точности и качества пиления, путем обоснования эффективных параметров прорезей, соответствующих конкретным условиям пиления, требуется проведение целенаправленных теоретических и экспериментальных исследований.

Основу работы составляют исследования, направленные на выявление параметров прорезей позволяющих обеспечить эффективное снижение опасных напряжений, вызывающих образование и развитие повреждений и потерю устойчивости плоской формы равновесия.

Выполнение поставленной в таком плане работы потребовало решения таких задач как: исследование нагрузочных факторов, возникающих при пилении древесины (силы резания, центробежные силы, колебания низкой частоты и поперечные деформации, вызванные случайными воздействиями); изучение и уточнение характера распределения напряжений с учетом конструктивных особенностей типа прорезей; экспериментальное определение вязкости разрушения сталей, применяемых для изготовления тонких круглых пил, необходимой для оценки прочности инструмента на стадии разрушения; теоретическое и экспериментальное исследование скорости развития трещин в дисках пил с прорезями; определение ресурса работы пил; разработка рекомендаций по выбору рациональных параметров прорезей, обеспечивающих не только эффективное снижение опасных напряжений, но не снижающих прочностные показатели пильных дисков.

Диссертация состоит из введения, семи разделов, выводов и списка литературы. Содержание работы изложено на 230 страницах машинописного текста, иллюстрировано 133 рисунками и 12 таблицами. Список литературы включает 89 наименований.

ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ

1. В общем комплексе эксплуатационных воздействий на пилу, определяющим фактором возникновения отказа является неравномерный нагрев пильного диска.

2. Характер отказа пил в работе определяется положением зоны повышенных температур. Нагрев периферийной зоны диска, который характерен для продольных пил, приводит к потери устойчивости плоской формы равновесия.

3. При эксплуатационных условиях, соответствующих нормативной документации, действующие на пилу нагрузки невелики и не могут вызвать мгновенного разрушения пильного диска.

4. Переменная составляющая напряженного состояния в основном создается изгибными деформациями. Напряжения, вызванные силами резания и подачи сравнительно малы.

5. Создание прорезей в круглых дереворежущих пилах с параметрами, соответствующими конкретным условиям распиловки, является эффективным способом нейтрализации температурных воздействий.

6. Методы исследования напряжений в пиле с конструктивными элементами типа прорезей, основанные на решениях для сплошного гладкого диска, не обеспечивают получение адекватных оценок напряженного состояния и могут рассматриваться лишь как первое приближение.

7. Разработаны методы исследования напряженного состояния и принципиальные расчетные модели, позволяющие исследовать влияние конструктивных параметров прорезей на напряженное состояние пильного диска с применением численного моделирования.

8. Теоретические исследования напряженного состояния и сравнительный анализ различных конструкций компенсационных прорезей показали, что прорези, расположенные на периферии диска обеспечивают наибольшее снижение температурных напряжений.

9. Определены значения вязкости разрушения для тонких пил и подтверждена зависимость этого показателя от толщины образца. Установлено, что для пил толщиной в пределах 1н-1,5 мм могут быть использоу ваны значения вязкости разрушения к\с = 103,2М77а- м/1.

10. Экспериментально для тонких пил определены пороговые значеу ния вязкости разрушения (к[к = 18.8М/7«- м/2). В пилах продольного пиления в нормальных эксплуатационных условиях коэффициенты интенсивности напряжений не превосходят значений пороговых коэффициентов и условий развития повреждений в этих пилах не возникает.

11. Выработаны рекомендации по разработке конструкции пилы с пластинками из твердого сплава, для узла резания на делительном станке ЦД-150 (прил.4). Предложено для пилы диаметром 250 мм, толщиной 1,4 мм с числом зубьев - 24, выполнять шесть внешних радиальных прорезей длиной 20 мм.

12. В пилах для поперечной распиловки бревен потенциально опасными зонами в смысле развития трещины являются межзубовые впадины.

13. Установлено, что прорези любой конструкции при любых условиях эксплуатации не могут полностью исключить возникновение температурных напряжений. Однако при соответствующем выборе параметров прорезей температурные напряжения могут быть уменьшены так, что работоспособность пилы окажется обеспеченной.

14. Установлено, что создание узких кольцевых прорезей и радиальных прорезей малой длины не оказывает существенного влияния на значения частот собственных колебаний при отсутствии внешних воздействий.

Отличие от значений частот собственных колебаний сплошного диска не превышает 5 %.

15. Установлены зависимости ресурса работы поперечных пил от конструктивных параметров прорезей и технологических параметров пиления.

16. Разработан способ повышения ресурса работы пил, предназначенных для поперечной распиловки бревен путем создания компенсационных прорезей. Определены и обоснованы эффективные конструктивные параметры прорезей. Рекомендуется в пилах диаметром 1500 мм использовать четыре внешние радиальные прорези длиной 200 мм.

17. Ожидаемый экономических эффект в случае использования разработанных рекомендаций на Архангельском целлюлозно-бумажном комбинате составит 1 млн. 243,7 руб в год в ценах на 1 января 2000 года.

1. Положение по организации инструментального хозяйства на лесопиль-но-деревообрабатывающих, мебельных, фанерных и лыжных предприятиях / ЦНИИМОД. - Архангельск, 1983.- 92 с.

2. Разработка путей повышения работоспособности круглых пил, предназначенных для поперечной распиловки бревен: Отчет о НИР/ Заключ.// М-во высшего и среднего образования РСФСР. АЛТИ: Руководитель

3. В.В. Соловьев. № ГР 01830025319; инв.№ 02860086971. - Архангельск, 1985.- 104 с.

4. Анализ работоспособности рамных, ленточных и круглых пил из опытных марок сталей: Отчет о НИР / Заключ.// М-во высшего и среднего образования РСФСР. АЛТИ: Руководитель В.В. Соловьев. № ГР 01,87,0072529. - Архангельск, 1987. - 133 с.

5. Бачин О.И. Увеличение срока службы плоских круглых пил для поперечной распиловки бревен: Автореферат дис. . канд.техн.наук. Л.: ЛТА, 1989. - 19 с.

6. Манжос Ф.М. Деревообрабатывающие станки. М.: Гослесбумиздат, 1963.-673 с.

7. Афанасьев П.С. Станки и инструменты деревообрабатывающих предприятий. М.: Лесная промышленность, 1968. - 496 с.

8. Грубе А.Э. Дереворежущие инструменты. М.: Лесн. пром-сть, 1971. -344 с.

9. Санев В.И. Обработка древесины круглыми пилами. М.: Лесная пром-сть, 1980.-232 с.46.

10. Стахиев Ю.М. Работоспособность плоских круглых пил. М.: Лесн. пром-сть, 1989.-384 с.

11. Стахиев Ю.М. Устойчивость и колебания плоских круглых пил. М.: Лесн. пром-сть, 1977. - 296 с.

12. Бершадский A.A. Резание древесины. М.: Гослесбумиздат, 1958. -328 с.

13. Якунин Н.К. Круглые пилы и эксплуатация пил М.: Лесная пром-сть, 1977.-200 с.

14. Ивановский Е.Г. Резание древесины. М.: Лесная пром-сть. 1975. -200 с.

15. Любченко В.И. Резание древесины и древесных материалов. М.: Лесная пром-сть. 1986. - 296 с.

16. Ларионов А.И., Курицин В.Н., Лукашин М.М. Особенности резания мерзлой древесины. М.: Лесн. пром-сть, 1972. - 57 с.

17. Санев В.И. Анализ сил, действующих на зубья круглых пил при продольном пилении древесины. Вопросы резания, надежности и долговечности дереворежущих инструментов и машин. - Вып. 4 Л. - 1977. -С. 10-15.

18. Якунин Н.К. Влияние скорости резания на процесс пиления древесины круглыми пилами // Деревообраб. пром-сть. 1976. - № 6.

19. Колчанов Б.Д. К вопросу о зависимости силовых характеристик продольного пиления круглыми пилами от скорости резания// Ученые записки ПГУ. Петрозаводск, 1963, - № 2. - С. 37-41.

20. Пашков В.К. Обеспечение работоспособности круглых пил при пилении древесины. Дисс. .доктора техн.наук. Екатеринбург, 1998. 276 с.

21. Соловьев В.В. Михайлова А.Р., Семенова Л.П. О влиянии характера нагрузки на напряженное состояние зубьев // Изв. вузов. Лесной журнал. -1979.-№6.-С. 117-119.

22. Тиме И.А. Сопротивление материалов и дерева резанию. СПб., 1870. - 140 с.

23. Афанасьев П.С. Станки и инструменты деревообрабатывающих предприятий. М.: Лесная пром-сть, 1968. - 496 с.

24. Дешевой M.А. Механическая технология дерева. Том 2. M-JL: ОНТИ, 1936.-423 с.

25. Соловьев В.В. Эпюры нормальных давлений на резец при резании древесины. Научн.тр. МЛТИ, 1972. - вып. 46. - С. 63 - 71.

26. Брюховецкая Т.М. Исследование напряженно-деформированного состояния древесины при ее резании. Автореф. дисс. .канд.техн.наук. -Красноярск, 1976. 21 с.

27. Соловьев В.В., Моргачев A.M. О распределении давлений по граням резца // Межвуз. сб. науч.тр. / ЛТА, 1983. Станки и инструменты де-ревообр. производств. - С. 101 - 105.

28. Резников А.Н. Теплофизика процессов механической обработки материалов. М.: Машиностроение. - 1981. - 279 с.

29. Грубе А.Э. Станки и инструменты по деревообработке. М.: Гослес-бумиздат, 1949. - 145 с.

30. Бершадский A.JI. Расчет режимов резания древесины. М.: Лесная пром-сть. 1967. - 175 с.

31. Gljer L. Wpyw Niektorych Crynnikaw Na Nagrzewanie Sie Pily Narcrowej w Crasie Pracy//Technologia Drewna. 1967. - № 1. - S. 45 - 49.

32. Kalitzin G. St Erwärmung und Warmesbannung des Kreissageblattes // holzindustrie. 1956 - № 11. - S. 289 - 292.

33. Kollmann F. Technologu des Holzes und der Holzwerkstoffe. 2 aufl. -Band 2. - Berlin: Springer - verlag. - 1955. - 1184 S.

34. Грубе А.Э., Санев В.И., Пашков B.K. К вопросу о температурном поле дисков пил для продольной распиловки древесины // Изв. вузов. Лесной журнал. 1966. - № 3. - С. 92 - 104.

35. Власов Б.Е. К оценке нестационарных температурных полей в дисковых пилах // Изв. вузов. Лесной журнал. 1976. - № 5. - С. 69 - 71.

36. Лейхтлинг P.A. Исследование температурного поля резца дисковых пил для продольной распиловки // Труды Сибирского технол. института. 1967. - Вып. 41. - С. 279 - 290.

37. Лейхтлинг К.А., Лейхтлинг P.A. Выбор числа оборотов пильного вала круглопильных станков // Сб. науч.-исслед. работ / Сибирский технол. институт. 1975. - Машиностроение, оборудование, ремонт и эксплуатация. - С. 36 - 40.

38. Грубе А.Э., Санев В.И., Пашков В.К. Повышение качества распиловки древесины на основании ликвидации температурных напряжений в дисковых пилах. Л.: ДНТП, 1967. 25 с.

39. Грачев И.А. Исследование тепловых явлений в дисках строгальных пил // Материалы Научно-технич. конференции / Л.: 1968.

40. Дунаева В.В. Попов Ф.Л., Стахиев Ю.М. Влияние скорости вращения на распределение температур в диске конической пилы // Науч. труды / ЦНИИМОД. Архангельск. - 1973. - Вып. 28. - С. 41 - 46.

41. Соловьев В.В., Бачин О.И., Моргачев A.M. О температурных напряжениях и способах подготовки пил большого диаметра для поперечной распиловки бревен // Деревообраб. пром-сть. 1985. - № 7. - С. 3 - 4.

42. Бодалев В.Г., Пашков В.К. Влияние нагрева на устойчивость круглых плоских пил // Изв. вузов. Лесной журнал. 1974. - № 2. - С. 70-75.

43. Гуркин Г.С. Потеря устойчивости плоской формы равновесия пильного диска при действии температурных напряжений // Изв. вузов. Лесной журнал. 1959.-№ 1.-С. 112-126.

44. Твердынина М.М. Некоторые вопросы напряженного состояния и устойчивости дереворежущих круглых пил: Дис. . канд.техн.наук. М., 1967.-214 с.

45. Жодзишский Г.А. Влияние неравномерного нагрева на частоты собственных колебаний пильных дисков постоянной толщины // Труды ЛТА. 1957. - Вып. 82. Ч. 4. - С. 149 - 164.

46. Туриков Э.М., Шевченко А.И., Пашков В.К. Экспериментальное исследование колебаний плоских круглых пил // Изв. вузов. Лесной журнал. 1973. -№ 1.-С. 98-104.

47. Грубе А.Э., Санев В.И., Пашков В.К. Автоматическое регулирование температурных напряжений в дисковых пилах // Деревообрабатывающая промышленность. 1967. - № 8. - С. 4 - 6.

48. Стахиев Ю.М., Макаров В.В. Уменьшение расхода воды при охлаждении пил на ЛАПЬ // Механическая обработка древесины: Реф. информ. / ВНИИПИЭИлеспром. 1978. - № 7. - С. 10 - 11.

49. Schajer G.S. Understanding Saw Tensioning // Holz als Roh-und Werstoff. -1977.-Vol. 35. -№5.-P. 189- 196.

50. Szymani R., Rhemrev J. Latest Development in Circular Saw Tensionning // Forest Products Sournal. 1984. - Vol. 34. - № 4. - P. 7 - 8.

51. Грубе А.Э., Санев В.И., Пашков B.K. Характер изменения температуры по радиусу дисковых пил и влияние температурного перепада на поперечные колебания // Изв. вузов. Лесной журнал. 1969. - № 4. - С. 60 -66.

52. Yokochi Н., Kimura S., Oishi S. Avoidance of Thermal Buckling by Forming Concentric Circular Grooves on Circular Saw-Blade Surfaces.

53. Стахиев Ю.М. Влияние вальцевания на напряженное состояние дисковых пил // Изв. вузов. Лесной журнал. 1966. - № 1. - С. 112 - 114.

54. Остроумов И.П., Богданов Е.А. Исследование напряжений во впадинах зубьев пил, обеспечивающих получение технологических опилок // Деревообрабатывающая пром-сть. 1976. - № 9. - С. 12.

55. Юзефович Г.И. Построение областех динамической неустойчивости круглых пил // Изв. вузов. Лесной журнал. 1961. - № 2. - С. 112 - 120.

56. Соловьев В.В., Стахиев Ю.М., Бачин О.И. О напряженном состоянии плоских круглых пил при изгибных колебаниях // Изв. вузов. Лесной журнал. 1987. - № 1. - С. 66 - 70.

57. Соловьев В.В., Бачин О.И., Микловцик И.Ю. О напряженном состоянии круглых пил, возникающем в результате торцевого биения // Меж-вуз. сб. науч. тр. / Л.: ЛТА. 1985. - Станки и инструменты деревообрабатывающих производств. - С. 25 - 28.

58. Гуркин Г.С. Теоретическое исследование устойчивости плоской формы равновесия пильного диска: Дис. . канд.техн.наук. Л., 1959. - 254 с.

59. Дунаев В.Д. Анализ нормальных напряжений в резце от изгибающей нагрузки // Науч. Труды / ЦНИИМОД. 1968. - Вып. 22. - С. 135 - 146.

60. Фрид Л.Д. К расчету лезвия режущего инструмента // Науч.труды / ЦНИИМЭ.- 1970.-Вып. 110.-С. 123- 130.

61. Jones D., HowkinsB., Mcartur Е. Experimental Analysis of Saw Tooth Stresses and Deflection // Forest Products Jornal. 1966. - Vol. 16. - № 11. -P. 35-44.

62. Gogu G.R. Effect of Teeth on Stresses in Circular Saws // Industria Lemnu-lui.- 1986. -№ l.-p. 3- 11.

63. Боженко B.C. Влияние внутренних радиальных щелей круглой пилы на распределение напряжений. Дисс.Канд.тех.наук. Л., 1954.

64. Никитин А.К. Исследование напряженного состояния и устойчивости круглых пил с компенсационными отверстиями: Автореф. Дис. . канд.техн.наук. Минск, 1974. - 33 с.

65. Филин А.П. Прикладная механика твердодеформированного тела. Т 1. -М.: Наука, 1978.-832 с.

66. Зенкевич O.K. Метод конечных элементов в технике. М.: Мир. - 1975. -541 с.

67. Соловьев В.В. Михайлова А.Р. Расчет на прочность дереворежущих пильных инструментов по стадии разрушения // Изв.вузов. Лесной журнал. 1983. - № 6.- С. 62 - 67.

68. Соловьев В.В., Бачин О.И., Моргачев A.M. Оценка работоспособности круглых пил для поперечной распиловки бревен // Деревообрабатывающая пром-сть. № 8. - С. - 10 - 11.

69. Демьянушко И.В. Биргер И.Л. Расчет на прочность вращающихся дисков. М.: Машиностроение. - 1978. - 247 с.

70. Жодзишский Г.А. Влияние напряжений от неравномерного нагрева, проковки и центробежных сил инерции на частоты свободных колебаний круглых пил. Дис. . канд. техн. наук. Л., 1958. 194 с.

71. Черепанов Г.П. Механика хрупкого разрушения. М.: Наука, 1974. -640 с.

72. Irwin G.R. Analysis of Stresses and Strain Near the End of a Crack Traversing a Plate, Appl. Mech. Journal. 1957. - № 3. - P. 361 - 364.

73. Биверс К. Некоторые особенности роста усталостных трещин в металлах и сплавах. В кн.: Механика разрушения. Разрушение конструкции. Под ред. Д. Теплина. - М.: Мир, 1980, вып. 20. - с. 51 - 80.

74. Роней М. Усталость высокопрочных материалов. В кн.: Разрушение. Под ред. Г. Либовица. - М.: Мир, 1976, т. 2. - С. 473 - 527.

75. Иванова B.C. Усталостное разрушение металлов. М.: Металлургиз-дат, 1963.-258 с.

76. Панасюк В.В., Андрейкив А.Е., Ковчик С.Е. Методы оценки трещино-стойкости конструкционных материалов. Киев: Наукова думка, 1977. - 277 с.

77. Механика разрушения и прочность материалов: Справ.пособие: 4т. / под общей ред. Панасюка В.В. Киев: Наукова думка, 1990. - 679 с.

78. Paris P.C. The Fracture Mechanics Approach to Fatigue. In: Fotigue an Interdisciplinary Approach, Syracuse Univer, Press. -1964. - P. 20 - 26.

79. Бачин О.И. Увеличение срока службы плоских круглых пил для поперечной распиловки бревен: Дис. . канд.техн.наук. Архангельск. -1988г.- 287 с.

80. Соловьев В.В. Михайлова А.Р. К вопросу о прочности рамных пил // Изв.вузов. Лесн.журн. 1982. - № 1. - С.77 -80.

81. Нотт Дж.Ф. Основы механики разрушения. М.: Металлургия, 1978. -225 с.

82. ГОСТ 25.506-85. Расчеты и испытания на прочность. Методы механических испытаний металлов. Определение характеристик трещино-стойкости (вязкости разрушения) при статическом нагружении. М.: Государственный комитет СССР по стандартам, 1985. - 62 с.

83. Сенькевич Л.В., Соловьев В.В., А.М. Моргачев. Определение пороговых коэффициентов интенсивности напряжений сталей, предназначенных для изготовления дереворежущих пил.

84. Партон В.В., Морозов Е.М. Механика упругого разрушения. Наука, 1974.-416 с.

85. Механика разрушения и прочность материалов: Справочное пособие; Под общ. ред. В.В. Панасюка. Киев: Наукова думка, 1988. - Т. 2. -620 с.

86. Морозов Е.М. Метод сечений в теории трещин // Изв. вузов. Строительство и архитектура. 1969. - № 12. - С.

87. Пашков В.К., Кистер Я.Я., Бодалев В.Г. О частотах колебаний пил большого диаметра // Изв.вузов. Лесн.журн. 1977. - № 6 - С. 82-87.

88. Стахиев Ю.М. Теоретические исследования частот собственных колебаний и критических чисел оборотов дисковых пил // Научн. труды ЦНИИМОД. Архангельск, 1964, - вып. 18.

89. Стахиев Ю.М. Проблемы совершенствования конструкций круглых пил для распиловки древесины // Изв.вузов. Лесн.журн. 1993 № 2-3. С. 61-63.

90. Методика определения экономической эффективности использования в лесной, деревообрабатывающей, фанерной и мебельной промышленности новой техники, изобретений и рационализаторских предложений. М.- Архангельск, 1980. 94 с.