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 лесопильного станка с полосовыми нерастянутыми пилами

На правах рукописи &.М.

Тюрин Алексей Михайлович

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОСНОВНЫХ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ЛЕСОПИЛЬНОГО СТАНКА С ПОЛОСОВЫМИ НЕРАСТЯНУТЫМИ ПИЛАМИ

Специальность 05.21.05 - Древесиноведение, технология и оборудование деревопереработки

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

17 ОКТ 2013

005535231

Архангельск - 2013

005535231

Работа выполнена в ФГЛОУ ВПО Северно.м (Арктическом) федеральном университете им. М.В. Ломоносова

доктор технических наук, профессор Прокофьев Геннадий Федорович

доктор технических наук, профессор Малыгин Владимир Иванович

кандидат технических наук, доцент Шейнов Анатолий Иванович

ФГБОУ ВПО «Вологодский государственный технический университет»

Защита состоится 13 ноября 2013 г. в 9.00 часов на заседании диссертационного совета Д212.008.01 при Северном (Арктическом) федеральном университете (163002, г. Архангельск, наб.Северной Двины, 17, ауд.1220).

Отзывы на автореферат диссертации в двух экземплярах с заверенными подписями высылать но адресу: 163000, г. Архангельск, наб. Северной Двины, 17, Северный (Арктический) федеральный университет им. М.В. Ломоносова, главный учебный корпус, ученому секретарю диссертационного совета Д212.008.01 Земцовскому А.Е.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке САФУ.

Автореферат разослан «С^» октября 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук, доцент

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

Земцовский А.Е.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

В работах проф. Г.Ф. Прокофьева показано, что при одновременном уменьшении свободных длин рамных пил в плоскости наименьшей жесткости / за счет установки направляющих и в плоскости наибольшей жесткости Ь за счет уменьшения хода пил, возможно, пиление брусьев нерастянутыми пилами. И.Ю. Королевым под руководством проф. Г.Ф. Прокофьева выполнена диссертационная работа по определению параметров узла резания лесопильной рамы с нерастянутыми пилами, совершающими движение в направляющих. Как показали исследования, применение такой лесопильной рамы обеспечивает высокое качество получаемых пиломатериалов, более рациональное использование сырья, снижение габаритов и металлоемкости.

Научные исследования и новые технические решения показали дальнейшее совершенствование станка: полностью исключить пильную рамку и существенно снизить вес возвратно-поступательно движущихся масс (станок без пильной рамки нельзя называть лесопильной рамой), использовать новое устройство регулировки уклона пил, повысить точность движения распиливаемого материала за счет применения направляющих ножей, изменить механизм подачи.

Отсюда следует, что работа, направленная на определение основных эксплуатационных показателей лесопильного станка с полосовыми нерастянутыми пилами, совершающими движение в аэростатических направляющих, актуальна.

Цель и задачи исследований

Цель работы - определение основных эксплуатационных показателей лесопильного станка с полосовыми нерастянутыми пилами, совершающими движение в аэростатических направляющих.

Для достижения поставленной цели определены следующие задачи исследований.

1. Разработать конструкцию и создать экспериментальный лесопильный станок с полосовыми пилами, совершающими движение в аэростатических направляющих.

2. Выполнить теоретические исследования устойчивости полосовых нерастянутых пил в направляющих с учетом начального напряженного состояния от вальцевания.

3. Провести теоретические и экспериментальные исследования жесткости полосовых нерастянутых пил в направляющих с учетом начального напряженного состояния от вальцевания.

4. Выполнить экспериментальные исследования качества пиления, энергозатрат и затупления зубьев пил при пилении на станке брусьев в зависимости от высоты пропила, скорости подачи и пути резания.

5. Дать рекомендации по созданию и эксплуатации лесопильного станка нового типа.

Научная новизна

1. Научно доказана возможность пиления древесины полосовыми нерастянутыми пилами при отсутствии пильной рамки.

2. Впервые выполнен комплекс исследований на оригинальном лесопильном станке, не имеющем отечественных и зарубежных аналогов.

3. Разработаны математические модели расчета устойчивости и жесткости полосовых нерастянутых пил с учетом начального напряженного состояния.

Методы исследований:

1. При выборе направления исследования, оценке точности пиления древесины и расчета сил резания применялись методы теории резания древесины.

2. При теоретических исследованиях жесткости и устойчивости полосовых пил использовались энергетические методы строительной механики.

3. Расчеты выполнялись с использованием программных комплексов Mathcad, Mathlab, Excel и ANSYS (МКЭ).

4. Полученные аналитические зависимости проверялись с использованием метода конечных элементов (программы APMStructure 3D и ANSYS).

5. Обработка экспериментальных данных проводилась с использованием методов математической статистики и программного комплекса Mathcad.

Обоснованность и достоверность результатов подтверждается:

1. Аргументированностью принятых допущений при теоретических исследованиях.

2. Использованием современных методов строительной механики при теоретических исследованиях.

3. Выполнением значительного объема экспериментальных исследований.

4. Сходимостью результатов теоретических и экспериментальных исследований.

На защиту выносятся:

1. Новые конструкции узла резания и механизма подачи лесопильного станка с полосовыми нерастянутыми пилами, совершающими движение в аэростатических направляющих.

2. Результаты исследований жесткости и устойчивости полосовых нерастянутых пил с учетом начального напряженного состояния от вальцевания.

3. Результаты исследований энергозатрат, затупления зубьев и. качества пиления древесины на лесопильном станке с полосовыми нерастянутыми пилами.

4. Рекомендации по выбору параметров полосовых нерастянутых пил и условий их эксплуатации.

Практическая значимость работы:

1. Разработанная конструкция нового узла резания может быть использована при создании лесопильного станка с полосовыми нерастянутыми «плавающими» пилами, совершающими движение в аэростатических направляющих.

2. Разработанная и экспериментально проверенная конструкция механизма подачи с направляющими ножами для распиливаемого материала может быть

4

использована при модернизации действующих и создании новых лесопильных станков.

3. Даны рекомендации для выбора параметров пил и механизмов лесопильного станка нового типа.

4. Математические модели расчета жесткости и устойчивости полосовых нерастянутых пил могут быть использованы для определения параметров узла резания и режимов пиления лесопильного станка нового типа.

5. Представленные материалы могут быть использованы в учебном процессе при подготовке специалистов для лесопильно-деревообрабатывающих предприятий.

Апробация работы

Основные положения диссертации и материалы исследований докладывались и обсуждались на международных научно-технических конференциях в Самарском научном центре Российской академии наук (г. Самара) 2011 г., ФГБОУ ВПО «Петрозаводский государственный университет» (г. Петрозаводск) 2011 г., ФГАОУ ВПО Северный (Арктический) федеральный университет им. М.В. Ломоносова (г. Архангельск) 2013 г.; на региональных научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состав в ФГАОУ ВПО Северный (Арктический) федеральный университет им. М.В. Ломоносова (г. Архангельск) 2011-2012 г.

Публикации

По материалам диссертации опубликовано восемь печатных работ, в том числе три по списку ВАК и три патента.

Структура и объем работы

Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, выводов и рекомендаций, списка литературы из 88 наименований. Общий объем работы 109 страниц машинописного текста, включая 41 рисунок и 12 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дано обоснование актуальности темы работы; сформулированы ее цель и задачи исследований; отмечены основные положения, выносимые на защиту; обоснована научная новизна, отмечены значимость результатов исследований для теории и практики.

В первой главе на основании изучения состояния вопроса показаны особенности пиления древесины рамными пилами, достоинства и недостатки лесопильных рам. Эффективность пиления древесины в значительной степени зависит от точности размеров сечения получаемых пиломатериалов, так как последняя влияет на производительность пиления, объемный выход пиломатериалов и энергозатраты. Точность размеров пиломатериалов, получаемых на современных лесопильных рамах, недостаточная. Низкая точность получаемых пиломатериалов вынуждает снижать скорость подачи, что уменьшает производительность пиления; применять пилы повышенной толщины и увеличивать поле допуска со смещением его центра, что приводит к уменьшению объемного выхода пиломатериалов; увеличивать натяжение пил, что снижает срок службы пил и захватов.

5

Рассмотрен разработанный проф. Г.Ф. Прокофьевым аналитический метод расчета точности пиления древесины на лесопильных станках в зависимости от сил сопротивления резанию (Р и 0 и способности пил сопротивляться действию этих сил - жесткости (/„) и устойчивости (Ркр).

Исследования показали, что при одновременном уменьшении свободных длин рамных пил в плоскости наименьшей жесткости / за счет установки направляющих для пил и в плоскости наибольшей жесткости Ь за счет уменьшения хода пил, возможно, пиление древесины нерастянутыми пилами.

В ЦНИИМОДе на базе тарной лесопильной рамы РТ-36 была создана экспериментальная лесопильная рама с нерастянутыми пилами, совершающими движение в аэростатических направляющих. Была подтверждена возможность и целесообразность пиления брусьев высотой до 200 мм, нерастянутыми пилами. К недостаткам созданной лесопильной рамы следует отнести наличие пильной рамки, препятствующей значительному снижению веса возвратно-поступательно движущихся масс; отсутствие направляющих элементов для распиливаемого материала перед пилами; отсутствие устройства для изменения уклона пил в зависимости от режимов пиления.

Разведывательные опыты показали возможность создания нового лесопильного станка без пильной рамки (так как отсутствует пильная рамка, то такой станок нельзя называть лесопильной рамой) с нерастянутыми полосовыми пилами, совершающими движение в аэростатических направляющих. Отсутствие пильной рамки позволяет существенно снизить вес возвратно-поступательно движущихся масс, использовать легкие фундаменты, уменьшить вибрацию узлов станка и повысить работоспособность подшипников. Легко решается вопрос с регулировкой уклона пил в зависимости от режимов пиления. Повышается точность подачи распиливаемого материала за счет направляющих ножей, установленных перед пилами.

Была разработана техническая документация на узел резания нового лесопильного станка. Станок был создан и смонтирован на территории лесотехнического колледжа САФУ. Сформулирована цель работы - определение основных эксплуатационных показателей лесопильного станка с полосовыми нерастянутыми пилами, совершающими движение в аэростатических направляющих, и определены задачи, которые необходимо решить для достижения поставленной цели.

Во второй главе выполнены теоретические исследования устойчивости полосовых нерастянутых пил с учетом их начального напряженного состояния от вальцевания. В работах М.С. Бернштейна, А. Портера, Н. Сугихары, С.М. Хасдана, Г.Ф. Прокофьева выполнены теоретические исследования устойчивости полосовых пил, характеризуемой величиной критической силы Ркр. В этих работах рассмотрено влияние на Ргр размеров пилы, места приложения силы, распределенности нагрузки, контактных направляющих. На лесопильных предприятиях рамные пилы вальцуют для повышения их жесткости и устойчивости. Вальцевание представляет собой прокатку полотна пилы между стальными закаленными роликами. Степень

6

вальцевания рамных пил оценивают по величине стрелы прогиба / поперечного сечения (световой щели) при продольном изгибе пилы. Нормативы вальцевания приведены в технологических режимах РПИ 6.1-00.

В отмеченных выше работах напряжения от вальцевания не учитывались, так как доля напряжений от вальцевания мала по сравнению с напряжениями от натяжения пил. При пилении нерастянутыми пилами влияние напряжений от вальцевания на устойчивость пил возрастает и его необходимо учитывать.

В результате вальцевания максимальные растягивающие напряжения возникают у передней и задней кромок (<тМ1Ц), а минимальные сжатия (&„,„) в средней части полотна пилы. Степень вальцевания характеризуется суммой отах+а„,ш.

Связь между сгг и величиной/устанавливается с помощью формулы А.Э. Грубе

(1)

п!

где п = ЫI \ Ь- длина окружности с Я = 2 м, мм; / - длина пилы, мм.

Нормальные усилия от вальцевания, приходящиеся на единицу ширины полотна пилы

(2)

Расчетная схема полосовой пилы с внутренними (начштьными) напряжениями от вальцевания приведена на рис. 1. Направляющие для пилы не показаны, так как пилы устанавливаются в направляющие с зазором и направляющие не оказывают влияние на устойчивость пил.

Нормальные напряжения на участке 1-2 от изгибающих моментов, приходящиеся на единицу ширины полотна пилы

(3)

Рисунок 1. Расчетная схема полосовой пилы с внутренними напряжениями от вальцевания

Касательные напряжения на участке 1-2, приходящиеся на единицу ширины полотна пилы

N..

3 Р ~4 "Ъ

4х2

' Ь2'

Работа сил, действующих в срединной плоскости пилы определяется по

формуле Брайана

г = -1П

, диЛ ... ды дм/

ЛГ.| — --

дг ) дг дх

ЖсЬс, (5)

где у/ - прогиб полосы в плоскости наименьшей жесткости.

Прогиб оси сечения пилы на расстоянии 1 от одного из концов, принятого за

начало координат, можно выразить как

" = (6)

угол поворота сечения пилы, расположенного на расстоянии г от одного из концов

ппг

„ . ппг

/^¿Аэт—-.

и=1 *

(7)

Тогда прогиб любой точки пилы определяется по формуле

и> = н + Рх= V гг„ эт+ Р„ х ьт^?- I (8)

£¡4 / 1 )

Расчеты показывают, что при учете только первых членов рядов (6), (7) и (8) при определении Ркр ошибка не превышает 5,0% по сравнению с точным решением. Дифференцируя имеем

= + соз® (9)

и дг Ьv ; I

^ = (Ю)

дх I

Формула (5) справедлива для случая, когда сила Р приложена к оси пилы. В действительности нагрузка приложена к кромке пилы, поэтому к работе, вычисленной по формуле (5), необходимо прибавить работу, которая учитывает понижение нагрузки вследствие бокового выпучивания полотна пилы. Она определяется из выражения _2

(И)

Подставив в формулу (5) значения (2), (3), (4), (6) и (7), произведя

интегрирования, соответствующие преобразования и добавив работу (11), имеем

+ г (12)

4^4 и ) I 15 '

Потенциальная энергия деформаций изгиба и кручения определяется из выражения

Ч!#ИН1Ь

гдеВ = Шх - изгибная жесткость полотна пилы, Н-мм2; Е = 2,1 -105 МПа - модуль упругости; J¡.=bsгl\2 - момент инерции поперечного сечения пилы;C = GJi -крутильная жесткость пилы, Н-мм2; С = 8-Ю4 МПа - модуль сдвига; Jk - ¿53 /3 — момент инерции при кручении, мм4; 5 — толщина пилы, мм.

Подставив в уравнение (13) значения

с12и ^ я-4-2 . Г Л? У тш -г \ = —ги 81П — „ — =Р-сов —.

сь2) I4 ь и и*; ь ь

и произведя интегрирование, получаем формулу потенциальной энергии изгиба и кручения

иЛ^в'и^С-рЛ (14)

4Ц£

Приравнивая правые части уравнений (12) и (14) и выразив ^ = /, получим

г, г (я- 4 г Я-2

-т-В/2 + —С + —— ¿3 II 15 1 * I

3,47/ + Ъ

- ^ п

Величину критической силы найдем из условия — = О Я4 „,2 я2 ^ 4

г +— С + — с

р -¿Л—У-I (15)

"" 3,47/ + Ъ

где / = -0,2886 + Д083&2 +

л В\ 15

При расчете критической силы был использован энергетический метод, который, несмотря на свою простоту, обладает достаточной точностью.

Значения Р^, кН нерастянутой полосовой пилы с учетом напряжений от вальцевания, рассчитанные по формуле (15) с помощью программы МаШсаё, приведены в табл. 1. Зависимости критической силы Ркр от свободной длины Ь при ширине полотна Ь = 160 мм и следующих её толщинах 1,8; 2,0 и 2,2 мм приведены на рис. 2. Таблица 1. Критическая сила Ркр, кН, нерастянутой полосовой пилы с учетом напряжений от вальцевания (степень вальцевания /в соответствии с РПИ 6.1-00)

Толщина ПИЛЫ 5, мм Ширина полотна Ъ, мм Свободная длина пилы I, мм

500 600 700 800

1,8 120 1,080/0,907 0,769/0,648 0,575/0,486 0,446/0,378

140 1,229/1,028 0,878/0,738 0,659/0,556 0,513/0,433

160 1,370/1,142 0,983/0,824 0,740/0,622 0,577/0,486

2,0 120 1,603/1,244 1,140/0,889 0,851/0,667 0,660/0,519

140 1,827/1,140 1,304/1,013 0,977/0,762 0,759/0,594

160 2,040/1,556 1,461/1,130 1,098/0,853 0,855/0,667

2,2 120 2,230/1,656 1,584/1,184 1,182/0,888 0,916/0,691

140 2,544/1,877 1,813/1,348 1,358/1,015 1,054/0,791

160 2,843/2,085 2,034/1,504 1,527/1,136 1,188/0,888

В числителе критическая сила Ркр вальцованной пилы, в знаменателе не вальцованной. Следует отметить, что вальцевание пилы увеличивает критическую силу Ркр на 26,0% (при Ь= 600 мм, 5 = 2,2 мм).

Р^кН

Рисунок 2. Зависимость критической силы резания Ркр, кН, нерастянутой рамной пилы от свободной длины Ь при

ширине полотна 6= 160 мм и следующих ек толщинах: 1 - я = 1,8 мм; 2 - х = 2,0 мм; 3 - 5 = 2,2 мм.

500 600 700 ММ В третьей главе выполнены теоретические и экспериментальные исследования начальной жесткости полосовых нерастянутых пил в направляющих с учетом внутренних напряжений от вальцевания. Исследованиям начальной жесткости рамных пил посвящепы работы А.Э. Грубе, М.Н. Орлова, П.И. Лапина, Р.В. Дерягина, Г.Ф. Прокофьева, И.И. Иванкина. Большинство работ носило экспериментальный характер. В теоретических работах напряжения от вальцевания не учитывались, так как при натяжениях рамных пил на современных лесопильных рамах, достигающих 60 кН и выше, влияние этих напряжений на жесткость пил мало. При использовании нерастянутых полосовых пил в направляющих условия работы пил существенно изменяются - сокращается свободная длина пил в плоскости наименьшей жесткости в 4.. .6 раз и возрастает роль начальных напряжений от вальцевания, так как 0.

Необходимо разработать математическую модель расчета начальной жесткости полосовой пилы в направляющих с учетом внутренних напряжений от вальцевания. Для проверки справедливости допущений, принятых при теоретических исследованиях следует выполнить экспериментальные исследования.

Расчетная схема для расчета прогиба полосовой нерастянутой пилы при сосредоточенной боковой силе Q, представлена на рис. 3.

I а _/ I а

4

/

а

1—

Рисунок 3. Расчетная схема для определения прогибов пилы при сосредоточенной нагрузке

Потенциальная энергия деформации пилы и складывается из потенциальных энергий растяжения IIр, изгиба IIи и кручения IIкр:

и=и „+и„ +и„

<£, (16)

где Л^ - нормальные усилия от вальцевания, приходящиеся на единицу ширины полотна пилы, Н/мм; Л = - жесткость пилы при изгибе, Н-мм2; Е— модуль

упругости материала пилы, МПа; =Ьх3/12-момент инерции поперечного сечения пилы при изгибе, мм4; и - прогиб оси сечения пилы при изгибе, мм; С = - жесткость пилы при кручении, П-мм2; (7 -модуль сдвига материала пилы, МПа; Jl - момент инерции поперечного сечения пилы при кручении, мм4; ¡3 - угол поворота сечения пилы при кручении, рад.

Нормальные усилия от вальцевания, приходящиеся на единицу ширины полотна пилы, определяются по выражению (3).

Прогиб оси сечения пилы и, угол поворота сечения пилы /? и прогиб любой точки пилы на расстоянии г от одного из концов определяются из выражений (б), (7) и (8).

Подставив выражения (2), (6), (7) и (8) в выражение (16) и выполнив соответствующие преобразования, получим уравнение для определения потенциальной энергии деформации пилы

"4съп2ъ(п)

Потенциальная энергия внешней нагрузки равна работе, совершаемой силой £):

w

= е£к

п Tí Z. . п К Z„

, Sin -Р» Ха sm

I

I

Полная потенциальная энергия системы (n=U-W):

71

П - + ^§„4? + Е -

I _ . "г, fr . пи:

-02J«„sin—Г^+Р-.*. s,n'

(18)

(19)

/ " 1

В случае устойчивого равновесия имеем систему уравнений:

дП п'я*и»В _ . nnza

-=- =-;--О sm-- = 0;

ди„ 2I3 ^ I

дП

8~РП

«Уд, 21

„ asb' | Л . nnz

С +- - 0х„ sin —г-2- = 0.

45

Решая систему (20) после преобразований получаем:

_ _. 3 I _ jsb3 ^ . пл z„

2ег|с + —j™-

4 4 .'asb3 n к В] -+ С

l

И Д,

2QlBn7n2xa sin

/

„VBl^ + С

(20)

(21)

45 _; V 45

После подстановки выражений (м„) и (/?„) в формулу (8) имеем следующую формулу для определения прогибов пилы:

2 grf?

45 J . пл z„ . tiTtz

-^-г-sm-- sm-

3 ^ 11

bVbÍ—+ C l «

(22)

С учетом выражения ]и = С}!™ для случая, имеющего практическое значение, когда прогиб определяется в точке действия боковой силы Q, которая приложена к кромке пилы (х = ха =6/2) на середине ее свободной длины (г = га—И2) , получаем формулу для определения начальной жесткости полосовой пилы при сосредоточенной нагрузке:

_;_!_;__. (23)

Л

21_

Ъ

V

с +

45

Ъ2Вп2я2

а ¡У

I 45

+ С

С целью проверки достоверности допущений, принятых при выполнении теоретических исследований, выполнены эксперименты. Схема экспериментальной установки приведена на рис. 4.

Рисунок 4. Схема экспериментальной установки для исследования начальной жесткости нерастянутых полосовых пил в направляющих: 1,5 - направляющие; 2 - груз; 3 - индикатор часового типа; 4 - пила; 6 - основание

С

1/2

Определялись прогибы и жесткость пилы толщиной 5 = 2,2 мм, шириной Ь - 160 мм, длиной Ь = 610 мм, со степенью вальцевания/= 0,3 мм. Переменным фактором была свободная длина I. Результаты опытов приведены в табл. 2. Таблица 2. Результаты экспериментальных исследований начальной жесткости полосовой нерастянутой пилы

Свободная длина /, мм 50 100 150 200 250 300 350 400 450

Прогиб У), мм 0,03 0,05 0,10 0,32 0,36 0,50 0,54 0,62 0,86

Жесткость у"„, Н/мм 654,0 392,4 196,2 61,31 54,50 39,24 36,33 31,65 22,81

По результатам расчетов и экспериментов на рис. 5 представлены графики, выражающие зависимость начальной жесткости пилы от свободной длины.

7, Н/мм'

ж за?

250 200 во-юо-

50

■ест, Ып ю&зн рр Л ЮЯП( НННР, т

-ёаль /теа юба г дан. тт <ые! №

-неб, /та Ш1В 1 ¡о Ъннй ые) 1ГИЖ

\ -/

ч.

Рисунок 5. Зависимость жесткости полосовых нерастянутых пил от свободной длины: 1 - жесткость вальцованной пилы по экспериментальным данным; 2 - жесткость вальцованной пилы по теоретическим данным; 3 - жесткость не вальцованной пилы по теоретическим данным

150 200 I мм

Анализ полученных материалов показал высокую сходимость результатов теоретических и экспериментальных исследований. Расхождение _/„ по теоретическим и экспериментальным данным при / = 150 мм составляет 1,7%, что показывает целесообразность использования формулы (23) для практических целей. Показано большое влияние на j„ начальных напряжений от вальцевания. При I = 150 мм жесткость j„ вальцованной пилы на 83,8% больше, чем у не вальцованной.

В четвертой главе даны результаты экспериментальных исследований энергозатрат и качества пиления древесины на экспериментальном лесопильном станке с нерастянутыми полосовыми пилами, совершающими движение в аэростатических направляющих. Конструкция узла резания имеет оригинальную конструкцию, показанную на рис. 6. Виды на узел резания спереди и сзади показаны на рис. 7.

Рисунок 6. Конструкция лесопильного станка с нерастянутыми «плавающими» пилами, совершающими движение в направляющих: 1 - плита; 2 - станина;

3 - планка; 4, 9 - стержни; 5 - пила; 6 - гайка; 7 - направляющая; 8 - стержень;

10 - фиксатор; 11 - поперечина; 12-шатун; 13-втулка; 14 - кронштейн; 15-нож;

16 - прокладка с выступающим заостренным участком; 17 - втулка Методическая сетка опытов приведена в табл. 3. Результаты исследований качества пиления древесины и энергозатрат на лесопильном станке даны в табл. 4 и 5. За оценочный показатель точности пиления принята разнотолщинность досок оцениваемая среднеквадратическим отклонением 5 и полем рассеяния 6,?. Зависимости толщины и разнотолщинности досок от высоты пропила к, частоты вращения коленчатого вала п и величины посылки Д приведены соответственно на рис. 8, 9 и 10. Во всех опытах поле рассеяния толщины досок не превышало 1,08 мм при поле допуска 3,0 мм. Высокая точность пиления объясняется малой величиной

13

боковых сил, благодаря высокой точности установки и движения пил и точности подачи распиливаемого материала, а также определенному резерву по устойчивости пил. Резерв по точности размеров пиломатериалов может быть реализован двумя путями: путем смещения центра поля рассеяния толщины пиломатериалов, что позволяет увеличить выход пиломатериалов до 2,0 %, или путем повышения скорости подачи, что позволит увеличить производительность станка примерно в 2 раза. Шероховатость поверхности досок оценивалась максимальными глубинами неровностей. Зависимости от /г, п и А приведены соответственно на рис. 11, 12 и 13. Во всех опытах максимальная глубина неровностей на поверхностях досок не превышала 0,4 мм при допустимой для экспортных пиломатериалов 0,75 мм. Высокое качество поверхности пиломатериалов объясняется полным отсутствием кинематических неровностей в виде рисок.

ШШЦР1

и

11Й§11Р;!

I

I

1/ К :

рШ •

I

Рисунок 7. Узел резания: а - вид спереди; б - вид сзади

Энергозатраты при пилении древесины оценивались по мощности, затрачиваемой на резание Ррез. Она определялась по формуле

(24)

где Рп - подведенная мощность при резании по показаниям частотного преобразователя марки Е1-90П, кВт; Рш - мощность холостого хода, кВт; V,, - 0,9 - к.п.д. электродвигателя; г]^ = 0,93 - к.п.д. механизма резания. Удельная работа резания определялась по формуле

б-104Р„

К = -

№Ъи

(25)

где I - число пил в поставе (в опытах участвовало 5 пил); Ъ' - ширина пропила, мм; А - высота пропила, мм; и - скорость подачи, м/мин.

Полученные материалы по определению удельной работы, приходящейся на одну пилу, могут быть использованы при определении мощности резания при создании опытно-промышленного образца станка с учетом количества пил в поставе, ширины пропила, скорости подачи и высоты пропила.

Четвертым оценочным показателем процесса пиления древесины являлось затупление зубьев, характеризуемое радиусом кривизны лезвия р. Зубья в количестве

14

8 штук крайней пилы постава фотографировались цифровым фотоаппаратом модели «Kodak» марки «М1063», снимки с помощью компьютера увеличивались в 150 раз и с помощью шаблонов, выполненных в виде концентрических окружностей, определялась величина р. Перед проведением опытов выполнялась приработка зубьев. Путь резания рассчитывался по формуле проф. А.Э. Грубе

L = w46hnlu, (26)

где L6 - суммарная длина распиленных брусьев, м; h - высота бруса, мм; п - частота вращения коленчатого вала, об/мин; и - скорость подачи обрабатываемого материала, м/мин.

Таблица 3. Методическая сетка опытов

№ п/п Наименование факторов Обозн. Числовое значение факторов

¿i S Первая серия | Вторая серия Третья серия

1 Ход пил Я мм 210

2 Давление воздуха, подводимое к направляющим Ри МПа 0,5

3 Порода древесины - - ель

4 Толщина отпиливаемых досок hd мм 19

5 Влажность бруса W % 40±5

6 Длина бруса и мм 2000

7 Длина пил 1 мм 675

8 Толщина пил s мм 2,2

9 Ширина полотна пил Ъ мм 160

1П Шаг зубьев пил t мм 26

11 Уширение зубьев на сторону У мм 0,8

12 Высота зубьев V мм 18

13 Передний угол зубьев г град 17

14 Задний угол зубьев а град 26

15 Высота пропила h мм 100 | 125 | 150 | 175 125

16 Частота вращения коленчатого вала п об/ мин 400 350 400 450 400

17 Величина посылки Д мм 10,7 7,5 10,7 15

18 Скорость подачи и м/ мин 4,28 3,745 4,28 4,815 3,0 4,28 6,0

Номер опыта 1 1 2 | 3 | 4 5 6 7 8 9 10

Оценочные показатели

1 Среднее значение толщины досок У мм

2 Среднее квадратическое отклонение S мм

3 Шероховатость Rm ma> мм

4 Мощность резания Ррез кВт

Таблица 4. Результаты исследований качества пиления и энергозатрат на лесопильном станке

Наименование факторов Обозн а Числовое значение факторов

Первая серия Вторая серия Третья серия

Высота пропила к мм 100 | 125 | 150 | 175 125

Частота вращения коленчатого вала п об/ мин 400 350 400 450 400

Величина посылки Д мм 10,7 7,5 10,7 15

Скорость подачи и м/ мин 4,28 3,745 4,28 4,815 3,0 4,28 6,0

Номер опыта 1 1 2 1 3 1 4 5 6 7 8 9 10

Результаты экспериментов

Среднее значение толщины досок У мм 18,38 18,50 18,48 18,55 18,5! 18,43 18,40 18,51 18,54 18,43

Среднее квадратическое отклонение Б мм 0,115 0,118 0,119 0,120 0,130 0,134 0,199 0,090 0,122 0,180

Максимальное отклонение пилы мм 0,345 0,354 0,357 0,360 0,390 0,402 0,597 0,270 0,366 0,540

Шероховатость ■ЙЯ'тах мм 0,16 0,20 0,17 0,19 0,17 0,19 0,20 0,17 0,18 0,19

Среднее квадратическое отклонение мм 0,057 0,056 0,057 0,054 0,032 0,037 0,041 0,021 0,028 0,038

Максимальное отклонение шероховатости ЗЯ мм 0,171 0,168 0,171 0.162 0,096 0,111 0,123 0,063 0,084 0,114

Мощность резания Р 1 рез кВт 4,54 7,95 10,39 12,68 6,66 7,95 9,11 6,82 7,95 9,11

Удельная работа резания, приходящаяся на 1 пилу К Н/ мм2 33,6 46,93 51,10 53,46 44,93 46,93 47,80 57,43 46,93 38,36

Таблица 5. Зависимость затупления зубьев пилы р (мм) от пути резания I, м

Путь резания Ь 0 619 1059 1478

Радиус затупления р 0,012 0,042 0,061 0,080

Рисунок 8. Зависимость толщины и разнотолщинности досок от высоты пропила (и = 400 об/мин; Д = 10,7 мм)

I

Рисунок 9. Зависимость толщины и разнотолщинности досок от частоты вращения коленчатого вала (/г = 125 мм; Д= 10,7 мм)

'V v es Am

Рисунок 10. Зависимость толщины и разнотолщинности досок от величины посылки (А = 125 мм; п - 400 об/мин)

Рисунок 11. Зависимость шероховатости досок от высоты пропила (п = 400 об/мин; А = 10,7 мм)

Лт™, ни 0.20

0.13

0.16

—^ГТ-гг77777,7/

+3S У

-3S

350

п, об/мин

RrttiBB, им

020

es /

-IS

IS

ns А,мм

Рисунок 12. Зависимость шероховатости досок от частоты вращения коленчатого вала (А = 125 мм; Д = 10,7 мм)

Рисунок 13. Зависимость шероховатости досок от величины посылки (А = 125 мм; п = 400 об/мин)

Получена следующая зависимость р (мм) от Ь (м)

р = 4,6-10~'£ + 0,012. (27)

Более интенсивное затупление зубьев, чем на обычных лесопильных рамах, объясняется тем, что из-за малого хода пил в течение одного оборота коленчатого вала в пропиле находится меньшее количество зубьев пилы. Полученная зависимость может быть использована при определении времени, через которое необходима повторная заточка зубьев в зависимости от высоты пропила и режимов пиления.

ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ На основании изучения состояния вопроса, разведывательных опытов и анализа результатов исследований сделаны следующие выводы и даны рекомендации.

1. Одним из перспективных путей совершенствования лесопильных станков с полосовыми пилами является применение для пил направляющих, установленных над и под распиливаемым материалом. В этом случае свободная длина пил в плоскости наименьшей жесткости / уменьшается на величину хода пил Н. При распиловке бруса свободная длина I может быть уменьшена в 4...6 раз.

2. Для уменьшения трения пил о направляющие рабочие поверхности последних целесообразно выполнить в виде аэростатических опор.

3. При одновременном уменьшении свободных длин полосовых пил в плоскости наименьшей жесткости I за счет установки направляющих и в плоскости наибольшей жесткости L за счет уменьшения хода пил жесткость j„ и устойчивость Ркр пил повышается настолько, что возможно пиление брусьев высотой до 200 мм нерастянутыми пилами.

4. Определены условия эффективного пиления древесины нерастянутыми полосовыми пилами.

5. Выполнены теоретические исследования устойчивости полосовых пил в направляющих с учетом начального напряженного состояния от вальцевания. Получена математическая модель для расчета Ркр.

6. Выполнены теоретические и экспериментальные исследования начальной жесткости j„ полосовых пил с учетом начального напряженного состояния от вальцевания. Экспериментальные исследования показали правомочность допущений принятых при теоретических исследованиях, предложена математическая модель для расчета/„.

7. На базе тарной лесопильной рамы РТ-36 создан экспериментальный лесопильный станок с нерастянутыми «плавающими» полосовыми пилами, совершающими движение в аэростатических направляющих. В станке отсутствует: пильная рамка; захваты; струбцины; межпильные прокладки; внесены изменения в механизм подачи; использована новая конструкция устройства для установки уклона пил. Нижние передние по направлению подачи металлические прокладки выполнены в виде лезвий направляющих ножей, выступающих над нижними направляющими. За каждой пилой установлен направляющий нож, концы которого служат прокладками между верхними и нижними направляющими для пил.

8. Оригинальность технических решений использованных при создании экспериментального лесопильного станка подтверждается шестью изобретениями. Одним из авторов трех изобретений, на которые получены патенты, является соискатель.

9. При высоте пропила до 150 мм рекомендуется использовать пилы толщиной s = 2,0 мм с шагом зубьев t = 22 мм. При высоте пропила более 150 мм рекомендуется использовать пилы толщиной j = 2,2 мм с шагом зубьев t = 26 мм.

10. Расход сжатого воздуха через одну рабочую поверхность направляющей с двумя отверстиями поддува с диаметром d = 0,6 мм, при избыточном давлении подводимого воздуха ри = 0,5 МПа к зазорам между пилой направляющей к = 0,04 мм составляет WH = 0,034 м3/мин. При установке z пил расход воздуха может быть определен из выражения W„ общ = 4zW„.

И. Направляющие ножи, установленные перед и за пилами должны иметь толщину на 0,8 мм превышающие толщину пилы. Передние направляющие ножи должны выступать на 4,0 мм над нижними направляющими и быть заточены под углом 40°.

12. При исследованиях влияния на точность пиления высоты пропила h, частоты вращения коленчатого вала п и скорости подачи и были получены

18

пиломатериалы с высокой точностью - поле рассеяния толщин досок примерно в 3 раза меньше поля допуска. Такая высокая точность получаемых пиломатериалов объясняется следующим: точность движения ползунов в направляющих не влияет на точность движения пил, так как пилы выполнены «плавающими» и точность их движения определяется точностью установки неподвижных аэростатических направляющих; направляющие ножи для распиливаемого материала обеспечивают высокую точность подачи распиливаемого материала. Резерв по точности размеров пиломатериалов может быть реализован двумя путями: пугем смещения центра поля рассеяния толщины пиломатериалов, что позволяет увеличить выход пиломатериалов до 2,0 %, или путем повышения скорости подачи, что позволит увеличить производительность станка в 2 раза.

13. В экспериментах по определению влияния И, п и и на шероховатость поверхности пиломатериалов максимальная глубина неровностей не превышала 0,4 мм. Для экспортных пиломатериалов допускаются глубины неровностей на поверхности пиломатериалов до 0,75 мм. Высокой качество пиломатериалов объясняется отсутствием кинематических неровностей в виде рисок, благодаря высокой точности движения пил, распиливаемого материала и подготовки пил. Резерв по шероховатости поверхностей пиломатериалов также может быть реализован за счет увеличения скорости подачи распиливаемого материала.

14. Полученные материалы по определению удельной работы резания, приходящейся на одну пилу, могут быть использованы при определении мощности механизма резания при создании опытно-промышленного станка с учетом количества пил в поставе, ширины пропила, скорости подачи и высоты пропила.

15. Зависимость радиуса затупления зубьев (мм) от пути резания (м) выражается формулой

р = 4,6 10~5 + 0,012 .

Полученная зависимость может быть использована при создании нового станка для определения времени, через которое необходима повторная заточка зубьев в зависимости от высоты пропила и режимов пиления.

16. Отсутствие пильной рамки и оснастки для натяжения пил позволит обеспечить надежную и долговечную работу деталей узла резания без ужесточения требований к фундаменту.

17. Полученные материалы могут быть использованы при создании опытно-промышленного образца лесопильного станка нового тина.

Основные результаты диссертации опубликованы: В изданиях по перечню ВАК:

1. Прокофьев Г.Ф. Лесопильный станок с нерастянутыми «плавающими» полосовыми пилами, совершающими возвратно-поступательное движение в направляющих. [Текст] / Г.Ф. Прокофьев, Н.Ю. Микловцик, А.М. Тюрин //Лесной журнал, 2011 - №5. - с.64-71. (Изв.Высш. учеб.заведений).

2. Прокофьев Г.Ф. Новый лесопильный станок с нерастянутыми полосовыми пилами, совершающими возвратно-поступательное движение в аэростатических направляющих. [Текст] / Г.Ф. Прокофьев, Н.Ю. Микловцик, A.M. Тюрин //Известия Самарского научного центра Российской академии наук, 2011 - №1(3). - с.604-609.

3. Прокофьев Г.Ф. Применение аэростатических опор при совершенствовании лесопильных станков. [Текст] / Г.Ф. Прокофьев, М.В. Дербин, А.М. Тюрин // Известия Самарского научного центра Российской академии наук, 2011 - №4(4). -с.1003-1009.

В прочих научных изданиях:

4. Прокофьев Г.Ф. Исследование боковой жесткости нерастянутых полосовых пил в направляющих. [Текст] / Г.Ф. Прокофьев, A.M. Тюрин // Развитие Северо-Аркгического региона: проблемы и решения. Сборник докладов. Часть 1. ИПЦ САФУ. Архангельск, 2012 - с.78-80.

5. Прокофьев Г.Ф. Конструкция лесопильного станка нового типа.[Текст] / Г.Ф. Прокофьев, Н.Ю. Микловцик, A.M. Тюрин // Наука XXI века. Проблемы академической мобильности исследователя и методологии исследования. Выпуск №2. ИПЦ САФУ. Архангельск, 2013 - с. 272-275.

Патенты:

6. Пат. 2452615 Российская Федерация, МПК В27В 3/10. Узел резания лесопильного станка [Текст] / Г.Ф. Прокофьев, Н.Ю. Микловцик, A.M. Тюрин -№2011100762/13; заявл. 12.01.2011; опубл. 10.06.2012, Бюл. №16.

7. Пат. 117847на полезную модель Российская Федерация, МПК В27В 3/10. Узел резания лесопильного станка [Текст] / Г.Ф. Прокофьев, A.M. Тюрин -№2011108152/13; заявл. 02.03.2011; опубл. 10.07.2012, Бюл. № 19.

8. Пат. 2480324 Российская Федерация, МПК В27В 3/10. Способ установки направляющих для полосовых «плавающих» нерастянутых пил лесопильного станка [Текст] / Г.Ф. Прокофьев, Н.Ю. Микловцик, А.М. Тюрин - №2011146386/13; заявл. 15.11.2011; опубл. 27.04.2013, Бюл. №12.

Подписано в печать 01.10.2013. Формат 60x84/16. Усл. печ. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ № 1847.

Издательско-полиграфический центр им. В.Н. Булатова ФГАОУ ВПО САФУ 163060, г. Архангельск, ул. Урицкого, д. 56

СЕВЕРНЫЙ (АРКТИЧЕСКИЙ) ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ИМЕНИ М.В. ЛОМОНОСОВА

На правах рукописи

О/. 1J.1l чп Т£.и 1 ¿и^ЧС. I

АМ

ТЮРИН Алексей Михайлович

УДК 674.053:621.933

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОСНОВНЫХ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ЛЕСОПИЛЬНОГО СТАНКА С ПОЛОСОВЫМИ

НЕРАСТЯНУТЫМИ ПИЛАМИ

диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук '

Специальность 05.21.05 - «Древесиноведение, технология и оборудование деревопереработки»

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор

Прокофьев Г.Ф.

Архангельск - 2013

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ..........................................................................................................................................................4

1. Состояние вопроса..................................................................................................................................9

1.1. Особенности пиления древесины на лесопильных рамах........................9

1.2. Повышение точности настройки лесопильной рамы на толщины выпиливаемых пиломатериалов......................................................................................18

1.3. Точность пиления древесины рамными пилами..............................................20

1.4. Силы резания при рамном пилении..............................................................................25

1.5. Боковые силы, действующие при рамном пилении......................................28

1.6. Жесткость рамных пил............................................................................................................30

1.7. Устойчивость рамных пил....................................................................................................33

1.8. Определение возможности и целесообразности пиления древесины нерастянутыми рамными пилами......................................................36

1.9. Выводы, цель и задачи исследований........................................................................42

2. Теоретические исследования устойчивости нерастянутой полосовой

пилы с учетом напряжений от вальцевания......................................................................46

2.1. Вступительные замечания....................................................................................................46

2.2. Теоретические исследования устойчивости полосовых нерастянутых пил с учетом напряжений от вальцевания........................46

2.3. Выводы................................................................................................................................................55

3. Исследование начальной жесткости полосовых нерастянутых пил в

направляющих с учетом внутренних напряжений от вальцевания............56

3.1. Вступительные замечания....................................................................................................56

3.2. Теоретические исследования жесткости полосовых нерастянутых пил с учетом их начального напряженного состояния от вальцевания......................................................................................................57

3.3. Экспериментальные исследования жесткости полосовых нерастянутых пил с учетом их начального напряженного состояния от вальцевания....................................................................................................60

3.3.1. Методика исследований........................................................................................60

3.3.2. Результаты исследований....................................................................................63

3.4. Выводы..................................................................................................................................................65

4. Экспериментальные исследования энергозатрат и качества пиления древесины на лесопильном станке с нерастянутыми полосовыми

пилами................................................................................................................................................................66

4.1. Вступительные замечания и постановка задач исследований............66

4.2. Методика исследований........................................................................................................67

4.2.1. Описание конструкции экспериментального станка..................67

4.2.2. Постоянные и переменные факторы..........................................................74

4.2.3. Оценочные показатели и методы их измерения..............................77

4.2.4. Объём, содержание и исследовательность проведения

опытов....................................................................................................................................84

4.2.5. Обработка результатов опытов........................................................................86

4.3. Результаты исследований......................................................................................................86

4.4. Выводы..................................................................................................................................................92

Выводы и рекомендации..........................................................................................................................96

Литература............................................................................................................................................................100

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. Перед лесопильно-деревообрабатывающей промышленностью стоит задача перехода от экстенсивного пути развития к интенсивному, при котором обеспечивается в возрастающих объемах получение пилопродукции высокого потребительского качества при минимальных расходах сырья, материалов, энергии и человеческих ресурсов. Это может быть достигнуто при совершенствовании методов и режимов подготовки и эксплуатации дереворежущих инструментов и станков, модернизации и создания нового деревообрабатывающего оборудования.

В РФ более 80% пиломатериалов получают на лесопильных рамах, которые нашли широкое применение благодаря проходному методу пиления древесины блоком пил и низким требованием к качеству сырья. Режущий инструмент у лесопильных рам прост в изготовлении, подготовке и эксплуатации.

Вместе с тем современные лесопильные рамы имеют недостатки, препятствующие повышению эффективности рамного пиления: большие силы инерции возвратно-поступательно движущихся масс; сравнительно низкий выход пиломатериалов; малая скорость подачи из-за ограничений по шероховатости и точности пиления; большие металлоемкость и габариты станка.

В работах проф. Г.Ф. Прокофьева показано, что при одновременном уменьшении свободных длин рамных пил в плоскости наименьшей жесткости / за счет установки направляющих и в плоскости наибольшей жесткости Ь за счет уменьшения хода пил, возможно, пиление брусьев нерастянутыми пилами. И.Ю. Королевым под руководством проф. Г.Ф. Прокофьева выполнена диссертационная работа по определению параметров узла резания лесопильной рамы с нерастянутыми пилами, совершающими движение в направляющих. Как показали исследования, применение такой лесопильной рамы обеспечивает высокое качество получаемых

пиломатериалов, более рациональное использование сырья, снижение габаритов и металлоемкости.

Научные исследования и новые технические решения показали дальнейшее совершенствование станка: полностью исключить пильную рамку и существенно снизить вес возвратно-поступательно движущихся масс (станок без пильной рамки нельзя называть лесопильной рамой), использовать новое устройство регулировки уклона пил, повысить точность движения распиливаемого материала за счет применения направляющих ножей, изменить механизм подачи.

Отсюда следует, что работа, направленная на определение основных эксплуатационных показателей лесопильного станка с полосовыми нерастянутыми пилами, совершающими движение в аэростатических направляющих, актуальна.

Цель и задачи исследований. Цель работы - определение основных эксплуатационных показателей лесопильного станка с полосовыми нерастянутыми пилами, совершающими движение в аэростатических направляющих.

Для достижения поставленной цели определены следующие задачи исследований:

1. Разработать конструкцию и создать экспериментальный лесопильный станок с полосовыми пилами, совершающими движение в аэростатических направляющих.

2. Выполнить теоретические исследования устойчивости полосовых нерастянутых пил в направляющих с учетом начального напряженного состояния от вальцевания.

3. Провести теоретические и экспериментальные исследования жесткости полосовых нерастянутых пил в направляющих с учетом начального напряженного состояния от вальцевания.

4. Выполнить экспериментальные исследования качества пиления, энергозатрат и затупления зубьев пил при пилении на станке

брусьев в зависимости от высоты пропила, скорости подачи и пути резания.

5. Дать рекомендации по созданию и эксплуатации лесопильного станка нового типа.

Научная новизна

1. Научно доказана возможность пиления древесины полосовыми нерастянутыми пилами при отсутствии пильной рамки.

2. Впервые выполнен комплекс исследований на оригинальном лесопильном станке, не имеющем отечественных и зарубежных аналогов.

3. Разработаны математические модели расчета устойчивости и жесткости полосовых нерастянутых пил с учетом начального напряженного состояния.

Методы исследований

1. При выборе направления исследования, оценке точности пиления древесины и расчета сил резания применялись методы теории резания древесины.

2. При теоретических исследованиях жесткости и устойчивости полосовых пил использовались энергетические методы строительной механики.

3. Расчеты выполнялись с использованием программных комплексов Mathcad, Mathlab, Excel и ANSYS (МКЭ).

4. Полученные аналитические зависимости проверялись с использованием метода конечных элементов (программы APMStructure 3D и ANSYS).

5. Обработка экспериментальных данных проводилась с использованием методов математической статистики и программного комплекса Mathcad.

Обоснованность и достоверность результатов подтверждается:

1. Аргументированностью принятых допущений при теоретических исследованиях.

2. Использованием современных методов строительной механики при теоретических исследованиях.

3. Выполнением значительного объема экспериментальных исследований.

4. Сходимостью результатов теоретических и экспериментальных исследований.

На защиту выносятся:

1. Новые конструкции узла резания и механизма подачи лесопильного станка с полосовыми нерастянутыми пилами, совершающими движение в аэростатических направляющих.

2. Результаты исследований жесткости и устойчивости полосовых нерастянутых пил с учетом начального напряженного состояния от вальцевания.

3. Результаты исследований энергозатрат, затупления зубьев и качества пиления древесины на лесопильном станке с полосовыми нерастянутыми пилами.

4. Рекомендации по выбору параметров полосовых нерастянутых пил и условий их эксплуатации.

Практическая значимость работы:

1. Разработанная конструкция нового узла резания может быть использована при создании лесопильного станка с полосовыми нерастянутыми «плавающими» пилами, совершающими движение в аэростатических направляющих.

2. Разработанная и экспериментально проверенная конструкция механизма подачи с направляющими ножами для распиливаемого материала может быть использована при модернизации действующих и создании новых лесопильных станков.

3. Даны рекомендации для выбора параметров пил и механизмов лесопильного станка нового типа.

4. Математические модели расчета жесткости и устойчивости полосовых нерастянутых пил могут быть использованы для определения параметров узла резания и режимов пиления лесопильного станка нового типа.

5. Представленные материалы могут быть использованы в учебном процессе при подготовке специалистов, для лесопильно-деревообрабатывающих предприятий.

Апробация работы

Основные положения диссертации и материалы исследований докладывались и обсуждались на международных научно-технических конференциях в Самарском научном центре Российской академии наук (г. Самара) 2011 г., ФГБОУ ВПО «Петрозаводский государственный университет» (г. Петрозаводск) 2011 г., ФГАОУ ВПО Северный (Арктический) федеральный университет им. М.В. Ломоносова (г. Архангельск) 2013 г.; на региональных научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состав в ФГАОУВПО Северный (Арктический) федеральный университет им. М.В. Ломоносова (г. Архангельск) 2011-2012 г.

Публикации

По материалам диссертации опубликовано восемь печатных работ, в том числе три по списку ВАК и три патента.

Структура и объем работы

Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, выводов и рекомендаций, списка литературы из 88 наименований. Общий объем работы 109 страниц машинописного текста, включая 41 рисунок и 12 таблиц.

1 СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА

1.1 Особенности пиления древесины на лесопильных рамах На лесопильных рамах, применяемых в промышленности, производится пиление древесины блоком полосовых пил, установленных с натяжением в пильную рамку и совершающих возвратно-поступательное движение с помощью кривошипно-шатунного механизма.

Кинематическая схема лесопильной рамы традиционной конструкции показана на рисунке 1.1.

Рисунок 1.1. Кинематическая схема лесопильной рамы: 1 - пильная рамка; 2 - пилы; 3 - направляющие пильной рамки; 4 - распиливаемый материал; 5 - валец механизма подачи; 6 - шатун; 7 - кривошип коленчатого вала Резание древесины на лесопильных рамах производится во время рабочего хода пил, когда пильная рамка с пилами перемещается из верхней мертвой точки в нижнюю. Скорость движения пил - величина переменная, она

зависит от угла поворота коленчатого вала лесопильной рамы и для центрального кривошипно-ползунного механизма определяется по формуле

о = соБта, (1.1)

где Я — радиус кривошипа коленчатого вала лесопильной рамы, м; СО—угловая скорость коленчатого вала, с"1; а—угол поворота кривошипа коленчатого вала, град. При расчетах часто, пользуются величиной средней скорости (оср, м/с)

движения пил:

оср=Нп/30, (1.2)

где Н — ход пил, м;

л—частота вращения коленчатого вала, мин"1.

В современных быстроходных лесопильных рамах (п>275 об/мин) применяется непрерывно-постоянная подача. Скорость подачи (£/, м/мин):

и = Ап/1000, (1.3)

где А - посылка (подача за один оборот коленчатого вала), мм.

При непрерывно-постоянной подаче происходит изменение скорости подачи на зуб от максимума в начале и в конце рабочего хода до минимума в середине рабочего хода. Средняя подача на зуб (£/гср, мм) может быть определена по формуле

и2Ср=М/(\ЖН), (1.4)

где /-шаг зубьев рамной пилы, мм.

Как видно из формулы (1.3), скорость подачи, а следовательно, и производительность лесопильной рамы прямо зависят от величины посылки А. Посылка может быть ограничена качеством получаемых пиломатериалов (шероховатостью, точностью), мощностью привода и работоспособностью межзубовых впадин.

Достоинства лесопильных рам.

Режущий инструмент лесопильных рам (рамные пилы) прост в изготовлении и эксплуатации. Рамные пилы изготовляются в РФ по ГОСТ 5524-75. Они обладают сравнительной дешевизной по сравнению с режущими инструментами других лесопильных станков и не требуют высокой квалификации работников, занимающихся их подготовкой к работе.

Более высокий выход пиломатериалов, чем на круглопильных станках. В работе [36] со ссылкой на материалы Оттавской лаборатории лесных продуктов (Канада) отмечается следующее. На одном из лесопильных заводов были проведены сравнительные распиловки бревен на лесопильных рамах и круглопильных станках. Все бревна распиливались в развал. Результаты распиловок приведены в табл. 1.1.

Таблица 1.1

Наименование величин Лесопильная рама Круглопильный станок

Диаметры распиливаемых бревен, мм 150-300 125-325

Число распиливаемых бревен, шт 932 637

Выход, % 47 42

Опилки, % 12 16

Рейки, % 4 5

Горбыли, % 37 37

Число рабочих занятых в смену 15 14

В этой же работе приводятся данные шведского исследователя Б. Тунелла по эффективности распиловки бревен на лесопильных рамах и круглопильных станках.

Приведенные материалы показывают, что более узкий пропил на лесопильных рамах по сравнению с пропилом на круглопильных станках увеличивает выход пиломатериалов на 8...9 %.

Таблица 1.2

Наименование величин Двухрамный лесопильных цех Цех с тремя круглопильными станками Цех с одним круглопильным станком

Выход пиломатериалов, % 54 50 44

Опилки, % 11 13 19

Горбыли, рейки, отрезки, % 29 34 34

Припуск на усушку, % 3 3 3

Более высокая производительность, чем на однопильных ленточнопильных станках. Точность пиления на ленточнопильных станках является основным ограничителем скорости подачи, поэтому для повышения эффективности ленточнопильных станков в первую очередь необходимо повышать точность пиления.

В работе [74] приводятся результаты опытов, проведенных при распиловке хвойного пиловочника на бревнопильном ленточнопильном станке с диаметром шкивов 1520 мм. В результате опытов было установлено, что при выпиливании из пиловочника длиной 4...6,5 м со средним диаметром примерно 36...38 см только тонких пиломатериалов (толщиной до 35 мм) с допускаемым отклонением по толщине до ±1 мм производительность станка снижается и не превышает 35 м3 в смену. При этом скорость подачи (скорость рабочего хода тележки) в среднем не превышает 15... 18 м/мин (большие значения относятся к меньшей высоте пропила). Аналогичные результаты получены в работах [75] и [44].

Производительность однопильных ленточнопильных станков зависит от коэффициента машинного времени Км. Он определяется по формуле

L,z60

где tp = --время пиления бревна, с;

- длина бревна, м; U - скорость подачи, м/мин; te - вспомогательное время, с.

Вспомогательное время при пилении бревен на однопильном ленточнопильном станке [53]

t.=\}i+nt2+z(h+h)+h~\K. > (1-6)

где ty - время навалки, установки и закрепления бревна на тележке, с; t2 - время поворота бревна (бруса), с; /3 - время установки размера и подачи бревна к пиле, с; t4 - время откатки т�