автореферат диссертации по технологии, машинам и оборудованию лесозаготовок, лесного хозяйства, деревопереработки и химической переработки биомассы дерева, 05.21.05, диссертация на тему:Определение основных эксплуатационных показателей делительного ленточнопильного станка с криволинейными аэростатическими направляющими

ВВЕДЕНИЕ.

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА.

1.1. Достоинства ленточнопильных станков традиционной конструкции с пильными шкивами перед другими видами лесопильного оборудования.

1.2. Основные недостатки ленточнопильных станков традиционной конструкции с пильными шкивами.

1.3. Обоснование целесообразности создания и использования в промышленности ленточнопильного станка с криволинейными аэростатическими направляющими.

1.4. Анализ результатов исследований по определению основных параметров делительного ленточнопильного станка с криволинейными аэростатическими направляющими

1.5. Конструкции делительных ленточнопильных станков ЛСД 150 и ЛД 150-1Э.

1.6. Выводы и задачи исследований.

2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ МЕХАНИЗМА ПРИВОДА ПИЛЫ.

2.1. Вступительные замечания и постановка задач исследований

2.2. Методика исследований.

2.2.1. Вывод формул для определения коэффициента трения качения требуемой мощности механизма привода пилы.

2.2.2. Описание экспериментальной установки.

2.2.3. Объем и последовательность проведения опытов

2.3. Методика статистической обработки экспериментальных данных.

2.4. Результаты исследований.

2.4.1. Результаты исследований деформации колес.

2.4.2. Результаты исследований коэффициентов тяги и трения качения для сухой поверхности пилы.

2.4.3. Результаты исследований коэффициентов тяги и трения качения для мокрой поверхности пилы.

2.5. Расчет числа приводных колес и требуемой мощности механизма привода пилы.

Перед лесопильной промышленностью стоит задача перехода от экстенсивного пути развития к интенсивному. Сущность его заключается в том, что за счет создания техники нового поколения необходимо достигнуть значительного увеличения производительности труда и улучшения качества получаемой продукции при минимальных затратах сырья, энергии и трудовых ресурсов.

Ленточнопильные станки являются перспективным видом лесопильного оборудования. Они имеют такие важные достоинства как возможность пиления древесины при высоких скоростях подачи, малую ширину пропила, высокое качество получаемых пиломатериалов по шероховатости. Кроме того, ленточнопильные станки не требуют тщательной сортировки бревен перед распиловкой, могут осуществлять индивидуальную распиловку с учетом особенностей сырья, не требуют больших фундаментов и позволяют создавать многопильные агрегаты с автоматической регулировкой постава.

Вместе с отмеченными достоинствами ленточнопильные станки имеют и недостатки: низкая точность пиления при больших скоростях подачи, малая долговечность пил и сложность их подготовки, большие габаритные размеры и металлоемкость. При создании многопильных ленточнопильных станков проходного типа эти недостатки еще более усугубляются. Но по мере совершенствования лен-точнопильного оборудования и уменьшения отмеченных недостатков, оно будет находить все большее применение в лесопилении, вытесняя лесопильные рамы.

Достоинства пиления древесины ленточными пилами объясняются тем, что при этом виде пиления тонкая стальная пильная лента движется с большой скоростью в одном направлении по двум опорам, расположенным над и под распиливаемым материалом. Недостатки пиления древесины на ленточнопильных станках традиционной конструкции с пильными шкивами вызваны тем, что опорами, по которым движется пила, являются вращающиеся пильные шкивы.

Проф. Г.Ф. Прокофьевым предложен новый тип ленточнопильного станка с пилой, движущейся по криволинейным аэростатическим направляющим. Этот станок сохраняет преимущества ленточнопильных станков традиционной конструкции с пильными шкивами, но не имеет их недостатков.

В ЦНИИМОДе была создана экспериментальная ленточнопильная установка и стенд для исследования аэростатических опор. Выполнены теоретические и экспериментальные исследования, которые позволили определить основные параметры делительного ленточнопильного станка с криволинейными аэростатическими направляющими.

На базе АГТУ смонтирован экспериментальный делительный ленточно-пильный станок ЛСД 150 (разработан КБ ЦНИИМОДа по техническому заданию Г.Ф. Прокофьева) с пилой, движущейся по криволинейным аэростатическим направляющим.

Ленточнопильный станок нового типа относится к ресурсосберегающему оборудованию и способствует интенсификации лесопиления, поэтому выполненная работа, направленная на получение материалов, необходимых для совершенствования его конструкции, освоения производства и определения условий эффективной эксплуатации, является актуальной.

Цель работы - определение основных эксплуатационных показателей делительного ленточнопильного станка с криволинейными аэростатическими направляющими для разработки рекомендаций по его конструированию, изготовлению и эффективной эксплуатации.

В соответствии с поставленной целью определены следующие основные задачи исследований.

1. Исследовать привод пилы фрикционными колесами и дать рекомендации по его конструированию и эксплуатации.

2. Выполнить теоретические и экспериментальные исследования аэростатических опор и дать рекомендации по их совершенствованию.

3. Провести экспериментальные исследования и определить условия устойчивости положения пилы на криволинейных направляющих.

4. С учетом конструкции и условий эксплуатации станка выполнить теоретические исследования жесткости и устойчивости пилы, а также разработать методику расчета боковых сил, действующих на пилу в процессе пиления, для расчета точности пиления древесины.

6. Провести экспериментальные исследования для проверки надежности аналитического метода оценки точности пиления древесины и разработать режимы пиления.

7. Сделать выводы и дать рекомендации по конструированию, изготовлению и эффективной эксплуатации делительного ленточнопильного станка с криволинейными аэростатическими направляющими.

Новизна исследований и научных результатов.

1. Впервые выполнен комплекс исследований на оригинальном экспериментальном ленточнопильном станке, не имеющем зарубежных аналогов. Конструкция его существенно отличается от экспериментальной ленточнопильной установки, на которой в ЦНИИМОДе были проведены первые исследования по пилению древесины ленточной пилой, движущейся по криволинейным аэростатическим направляющим.

2. Углублены и расширены исследования механизма привода пилы. Определен коэффициент трения качения колес, разработана методика расчета числа приводных колес и требуемой мощности электродвигателя механизма привода.

3. Впервые проведены исследования и определены условия устойчивости положения пилы на криволинейных аэростатических направляющих.

4. Дано дальнейшее развитие проведенных в ЭНИМСе и ЦНИИМОДе теоретических исследований аэростатических опор. Для разностных алгебраических уравнений, аппроксимирующих поле давления газа в зазоре, получены дополнительные коэффициенты, позволяющие рассчитать плоские опоры практически любой конструкции. Разработано программное обеспечение для расчета плоских аэростатических опор. По материалам исследований предложена новая более эффективная конструкция криволинейной аэростатической направляющей (патент №2161553 РФ).

5. Впервые получены формулы для расчета жесткости и устойчивости пилы, а также разработана методика расчета боковых сил, действующих на пилу в процессе пиления древесины, с учетом конструкции и условий эксплуатации делительного ленточнопильного станка с криволинейными аэростатическими направляющими. Выведена формула для расчета скорости подачи с ограничением по точности пиления. Проведены исследования точности пиления древесины с проверкой аналитического метода и по их результатам разработаны режимы пиления.

На защиту выносятся:

• методика определения параметров механизма привода пилы;

• новая конструкция криволинейной аэростатической направляющей;

• рекомендации по обеспечению устойчивости положения пилы на криволинейных аэростатических направляющих;

• методика расчета боковых сил, действующих на пилу в процессе пиления древесины;

• режимы пиления древесины на делительном ленточнопильном станке с криволинейными аэростатическими направляющими.

Практическая полезность работы.

1. Результаты исследований механизма привода пилы подтвердили правильность ранее разработанных рекомендаций и послужили основой для разработки методики определения числа приводных колес и требуемой мощности электродвигателя механизма привода.

2. Программное обеспечение расчета аэростатических опор может быть использовано при проектировании различных типов ленточнопильных станков с криволинейными аэростатическими направляющими (столярных, делительных и бревнопильных), имеющих различные параметры, а также при конструировании отжимных аэростатических направляющих для модернизации действующих ленточнопильных станков. Материалы исследований использованы при разработке новой конструкции криволинейной аэростатической направляющей, позволяющей уменьшить расход воздуха более чем на 40 % при сохранении требуемой работоспособности станка.

3. Результаты исследований устойчивости положения пилы на криволинейных аэростатических направляющих используются для обоснования силы натяжения пилы.

4. Подтверждена надежность аналитического метода определения точности пиления древесины, что позволило рекомендовать его для расчета режимов пиления с ограничением по точности размеров пиломатериалов, как для ленточнопильных станков нового типа, так и для ленточнопильных станков традиционной конструкции с пильными шкивами.

Реализация результатов исследований.

1. Результаты диссертационной работы включены в техническую документацию, переданную фирме новых технологий "Гравитон" (г. Калининград) для изготовления ленточнопильных станков с криволинейными аэростатическими направляющими.

2. Материалы исследований аэростатических опор вошли в учебное пособие "Использование газовой смазки в технике", которое используется при преподавании курса "Детали машин" в Архангельском государственном техническом университете (АГТУ) и Поморском государственном университете (ПГУ).

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ

1. Подтверждена правильность ранее полученных рекомендаций по выбору параметров фрикционных колес механизма привода пилы. Для привода пилы рекомендуется использовать колеса диаметром Z)K=310 мм и шириной Вк = 135 мм модели 6 по ТУ 3800440-77.

При мокрой поверхности пилы рекомендуется давление в камере шины колеса Рк - 0,5 МПа, сила прижима колес к пиле G = 1,6 кН.

Для сухой поверхности пилы Рк =0,4 МПа и G = 1,6 кН. При этих параметрах рекомендуется для расчетов принимать коэффициенты тяги фот =0,74 и трения качения кт = 2,7 мм, а минимальное число приводных колес Z и требуемую мощность электродвигателя Ртр определять по формулам Z = 12,7 • 10 4 (Я + 100) и Р = и (1,06 R + 168). Здесь R — вертикальная составляющая силы резания, рассчитываемая по известным методикам, Н; и - скорость резания, м/с.

Установлено, что при высотах пропила больших 150 мм и скоростях подачи свыше 25 м/мин требуется использовать два приводных колеса

2. В результате теоретических исследований получены дополнительные коэффициенты для разностных алгебраических уравнений, аппроксимирующих поле давления газа в зазоре, позволяющие рассчитать подъемную силу и расход воздуха у плоских аэростатических опор практически любой конструкции.

При разработке конструкции и выборе параметров аэростатических направляющих для дереворежущих пил рекомендуется использовать разработанное программное обеспечение для расчета подъемной силы и расхода воздуха у плоских аэростатических опор.

3. Теоретические и экспериментальные исследования, анализ предшествующих работ и опытная эксплуатация позволяют рекомендовать следующие параметры аэростатических направляющих для делительного ленточнопильного станка: ширина В - 100 мм, радиус R =750 мм, направляющая состоит из секций прямоугольной формы (см. рис. 3.3 в), диаметр отверстий поддува d =0,6 мм, глубина распределительных микроканавок t = 0,4 мм, давление подводимого к опорам воздуха 0,5 ± 0,05 МПа.

4. Для денточнопильных станков нового типа рекомендуется использовать криволинейную аэростатическую направляющую по патенту № 2161553 РФ, позволяющую уменьшить расход воздуха более чем на 40 %.

5. В результате выполненных экспериментальных исследований устойчивости положения пилы на криволинейных аэростатических направляющих установлено, что требуемая жесткость пилы в плоскости резания для высот пропила до 150 мм и скоростей подачи до 25 м/мин достигается при силе натяжения N = 2,5 кН.

При больших высотах пропила и скоростях подачи рекомендуется сила натяжения пилы N = 3,5 кН. В этом случае жесткость пилы в плоскости резания у станка нового типа становится равной жесткости пилы ленточнопильного станка традиционной конструкции с пильными шкивами при силе натяжения N — 8 кН.

6. Рекомендуются к применению уточненные формулы для расчета жесткости и устойчивости ленточной пилы с учетом распределенности нагрузки по высоте пропила, а также разработанная методика расчета боковых сил, действующих на пилу при пилении древесины, которая позволяет: оценить влияние погрешностей подготовки пил и узлов станка на величину боковых сил и точность пиления; прогнозировать качество пиления по точности при обеспечении нормативных значений погрешностей подготовки пил и узлов станка к работе; обосновать нормы точности подготовки пил и узлов станка к работе; определить эффективность мероприятий по повышению точности подготовки пил и узлов станка к работе.

7. На основании сравнения результатов проведенных экспериментов и расчетов подтверждена надежность аналитического метода оценки точности пиления древесины, что позволяет рекомендовать его для расчета режимов пиления с ограничением по точности размеров пиломатериалов, как для ленточнопильных станков нового типа, так и для ленточнопильных станков традиционной конструкции с пильными шкивами.

8. Разработаны режимы пиления древесины на делительном ленточно-пильном станке с криволинейными аэростатическими направляющими.

1. Алфутов Н.А. Основы расчета на устойчивость упругих систем. М.: Машиностроение, 1978. 318 с.

2. А.С. 408773 М. Кл. В27 В 13/10. Ленточнопильный станок./ Прокофьев Г.Ф. (СССР) 180279/29 - 33. Заявлено 29.06.72. Опубл. 30.11.73. Бюл. № 48. // Открытия. Изобретения. - 1974.

3. Баласаньян B.C. Плоская прямоугольная аэростатическая опора с микроканавкой. "Известия АН СССР, Механика жидкости и газа", 1973, №4. - С. 8 - 15.

4. Бернштейн М.С. Теорема о работе внешних сил на конечных перемещениях и ее применение к задачам об устойчивости упругого равновесия. В кн.: Расчет пространственных конструкций. Вып. 7, Госстройиздат, 1962. С. 281 - 292.

5. Бершадский А.Л. Расчет режимов резания древесины. М.: Лесн. пром-сть, 1967.- 173 с.

6. Веселков В.И. Влияние технического состояния ленточнопильных станков на динамическую систему механизма резания // Деревообрабатывающая пром-сть. 1990. № 3. - С. 6 - 9.

7. Веселков В. И. Теория и конструкции ленточнопильных станков: Учебное пособие. Архангельск: РИО АЛТИ, 1992. - 84 с.

8. ГОСТ 6532-77 Пилы ленточные для распиловки древесины. Технические условия. -Введ. 01.07.78.

9. ГОСТ 6782.1-75 (СТ СЭВ 1148-1978). Пилопродукция из древесины хвойных пород. Величина усушки. Взамен ГОСТ 6782-67; Введ. 01.07.76.

10. ГОСТ 18209-72 Станки для заточки рамных и ленточных пил. Введ. 01.04.73.

11. ГОСТ 24771-81 Станки ленточнопильные делительные для продольной распиловки досок и горбылей. Нормы точности. Введ. 01.03.82.

12. ГОСТ 26002-83. Пиломатериалы хвойных пород северной сортировки, поставляемые для экспорта. Технические условия. Введ. 01.01.85.

13. Инструкция по расчету производственных мощностей лесопильных цехов, потоков и установок. 2-е изд. - Архангельск: ЦНИИМОД, 1981.- 85 с.

14. М.Кнороз В.И. Работа автомобильной шины. М.: Автотрансиздат, 1960. -229 с.

15. Когаев В.П. Расчеты на прочность при напряжениях, переменных во времени. М.: Машиностроение, 1977. - 232 с.

16. Настенко А. А., Веселков В.И. Технологические режимы РИ 04-00. Подготовка делительных ленточных пил к работе. Архангельск: ЦНИИМОД, 1976.-68 с.

17. Опоры скольжения с газовой смазкой / С.А. Шейнберг, В.П. Жедь, М.Д. Шишеев и др.; под ред. С.А. Шейнберга. 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1979 - 336 с.

18. Пижурин А.А., Розенблит М.С. Исследования процессов деревообработки. -М.: Лесн. Пром-сть, 1984. 232 с.

19. Пинегин С.В. Орлов А.В., Табачников Ю.Б. Прецизионные опоры качения и опоры с газовой смазкой. Справочник. М.: Машиностроение, 1984. - 216 с.

20. Почекутов С.П. Исследование точности распиловки бревен на ленточно-пильном станке "Stenner" // Науч. тр. / Сиб.ТИ. 1969. - Лесоинженерное дело и механическая технология древесины. С. 243 - 246.

21. Прокофьев Г.Ф. Боковые силы, действующие на рамные пилы, и влияние их на точность пиления древесины // Изв. вузов. Лесной журн. 1991. - № 5. -С. 82-89.

22. Прокофьев Г.Ф. Жесткость рамных пил в плоскости резания / Научные труды ЦНИИМОД, выпуск 28 Архангельск, 1973. - С. 62 - 66.

23. Прокофьев Г.Ф. Интенсификация пиления древесины рамными и ленточными пилами. М.: Лесн. пром-сть, 1990. - 240 с.

24. Прокофьев Г.Ф. Ленточнопильный станок с пилой, движущейся на воздушной подушке // Лесная промышленность. 1194. - № 2. - С. 9 - 10.

25. Прокофьев Г.Ф. Некоторые вопросы точности рамного пиления. В кн.: Совершенствование технологии и оборудования лесопильного производства. Архангельск, 1981, С. 69 - 75.

26. Прокофьев Г.Ф. Определение параметров механизма привода пилы ленточнопильного станка с криволинейными аэростатическими направляющими //

27. Изв. вузов. Лесной журн. 1991. -№ 4. - С. 55 - 58.

28. Прокофьев Г.Ф. Определение скорости подачи с ограничением по точности при пилении древесины рамными и ленточными пилами // Изв. вузов. Лесной журн, 1990,-№6.-С. 64-68.

29. Прокофьев Г.Ф. Основы научных исследований. Учебное пособие. Архангельск, РИО АГТУ, 1995. - 38 с.

30. Прокофьев Г.Ф. Точность пиления древесины рамными и ленточными пилами / Изв. вузов. Лесн. журн., 1996. № 6. - С. 74 - 80.

31. Прокофьев Г.Ф. Устойчивость рамных и ленточных пил в направляющих // Науч. тр. ЦНИИМОД. 1977. - Совершенствование конструкций и методов подготовки и эксплуатации режущего инструмента и лесопильно-деревообрабатывающего оборудования. - С. 43 - 48.

32. Прокофьев Г.Ф., Гриньков В.В. Теоретические исследования криволинейных аэростатических направляющих ленточнопильного станка / Лесн. журн-1991.- № 1.-С. 70-78.

33. Прокофьев Г.Ф., Дундин Н.И. Иванкин И.И. Ленточнопильный станок с пилой, движущейся по криволинейным аэростатическим направляющим. Информационный листок. № 01 99. - Архангельск: ЦНТИ, 1999. - 3 с.

34. Прокофьев Г.Ф. Иванкин И.И. Теоретические исследования начальной жесткости ленточных и рамных пил // Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов. Сб. науч. тр.-Архангельск: АГТУ, 1997. -№ 3-С. 20-24.

35. Прокофьев Г.Ф., Поромов С.Г. Носаль Б.Д. Экспериментальный ленточнопильный станок с ильной лентой, движущейся по криволинейным аэростатическим опорам. // Межвуз. Сб. науч. Тр. / ЛТА. 1981. -С. 56-60.

36. Прокофьев Г.Ф., Поромов С.Г. Ноеаль Б.Д. Экспериментальная установка для исследования аэростатических опор // Материалы 4-й научно-техн. Конференции молодых ученых и специалистов лесопильной промышленности. -Архангельск, 1980.-С. 109-111.

37. Прокофьев Г.Ф., Ходерян Б.А. Исследования аэростатических опор. // Изв. вузов. Лесн. журн. 1985. - № 3. - С. 118-121.

38. Прокофьев Г.Ф., Ходерян Б.А. Начальный изгиб ленточной пилы в зоне резания. // Изв. вузов. Лесн. журн. 1985. - № 4. - С. 125 - 127.

39. Прокофьев Г.Ф., Ходерян Б.А. Исследование сил резания и качества пиления на экспериментальном ленточнопильном станке с пилой, движущейся по криволинейным аэростатическим опорам. Архангельск, 1985. - 40 с. - Деп. во ВНИПИЭИлеспроме, 1985, № 1579 лб.

40. Прокофьев Г.Ф., Ходерян Б.А. Исследование криволинейных аэростатических опор ленточнопильного станка конструкции ЦНИИМОДа. / ЦНИИИ-МОД. Архангельск, 1985. - 9 с. - Деп. во ВНИПИЭИлеспроме 1985, № 1402 лб.

41. Прокофьев Г.Ф., Ходерян Б.А. Привод пилы ленточнопильного станка с криволинейными аэростатическими опорами. // Науч. тр. ЦНИИМОД. 1985. -Проблемы интенсификации лесопильного производства. - С. 130 - 137.

42. Прокофьев Г.Ф., Ходерян Б.А., Ершов С.В. Начальная жесткость полосовых (ленточных и рамных) пил. / ЦНИИМОД. Архангельск, 1985. - 23 с. - Деп. во ВНИПИЭИлеспроме 1985, № 1589 лб.

43. Тимошенко С.П. Прочность и колебания элементов конструкций. М.: Изд-во "Наука", 1975.-704 с.

44. Тимошенко С.П. Сопротивление материалов, т. 2. 3-е изд. - М.: Изд-во "Наука", 1965. -480 с.

45. Тимошенко С.П. Статические и динамические проблемы теории упругости. -Киев: "Наукова думка", 1975. 563 с.

46. Тимошенко С.П. Устойчивость упругих систем. 2-е изд. - М., Гостехиздат, 1955.-576 с.

47. Феоктистов А.Е. Ленточнопильные станки. М.: Лесн. пром-сть, 1976. - 152 с.146

48. Феоктистов А.Е. Точность распиловки и производительность ленточнопильных станков. "Деревообрабатывающая промышленность", 1969. — № 4. — С. 6-9.

49. Шейнберг С.А., Баласаньян B.C. Расчет аэростатических опор. Методические рекомендации. М.: ЭНИМС, 1977. - 31 с.

50. Prokofjev G., Dundin N., Ivankin I. Development of sawing machines // 14 th International Wood Machining Seminar, Paris, 1999. S. 187-191.

51. Thunell B. Dimensional Accuracy in Sawing // Svenska Traforskning Institutet. -1975. Serie B. - № 109,- 17 s.

52. Thunell B. Snfbility of the Band Sow blade // Hols Als Rohund Werkstoff. 1970. № 9. -S. 343 -348.