автореферат диссертации по технологии, машинам и оборудованию лесозаготовок, лесного хозяйства, деревопереработки и химической переработки биомассы дерева, 05.21.05, диссертация на тему:Основы повышения долговечности дереворежущих пил

, САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКАЯ ЛЕЕ ОТЕХНИЧЕСКАЯ ШДЕЗМ

На правах рупоппоа СОЛОВЬЕВ Етадш.юр Еасильавич

ОСНОВЫ ПОВЫШЕНИЯ ДОЛГОВЕЧНОСТИ ДЕРЕВ0РЕНШЦИ1 ПШГ '

05,21.05 - Технология и оборудование дэраЕообрзбагававддх производств, дрзвзспноведениэ

Автореферат диссертации на соискание ученой стоденя доктора технических наук

Санкт-Петербург - 1991

Работа кшолнека на кафэдро строительной иохашки и сопро-таглбхГиЯ ьлтерлалов Архангельского лосотехническоЬэ института nil. В.В.КуЛбшева

- доктор технических неук, профзссор Израолит А.Б.

- доктор технических наук, профессор Соболев B.C.

- доктор технических наук, профессор Шафиюв Е.А.

- Головное конструкторское бюро по да-ревообрабатывавщецу оборудовании (ГКБД)

Защита диссертации состоится " J " '¿(¡^¿Га _ I9&&U

в И часов на заседание специализированного совета Д 063.60,01 при Саигт-Патербургской лесотехнической ахадешш (I940I8, Санкт-Петербургф Институтский пер., б, зал заседаний).

С диссертацией иоано ознакомиться с библиотеке акадешш. Автореферат разослан " Z9n fu;^ 199/ г.

Учс:пй1 секретарь специализированного

совата, доктор технических nayit, профессор Г.И.Аниеишэв

Сфзцяалькао.оппонента

Вгщцсз предприятие

Общая характеристика работы

Актуальность теш. Развитие деревообрабатывающей проюш-лонности на современном этапе' характеризуется автоматизацией производственных процессов, повышением производительности оборудования. 3 этих условиях существенно повышаются требования к обеспеченна работоспособности дереворежущих инструментов. В настоящее время уже при достигнутых уровнях производства инструмент оказиппется одерживающим фактором реализации всех дос¿имений науки Г: области переработки древесины. Наиболее остро проблема обеспечения работоспособности возникает для двреворекусцпс пил (рамных, ленточных, дисковых большого диаметра). При этом особую значимость имеют вопросы прочности и долговечности.

Объем дереворежущих пил, выпускаемых промышленностью страны, удовлетворяет потребности предприятий не более, чем на 30$. Вместе с тем, по данным деревообрабатывающих предприятий, исследовательских организаций (ЦШИМОД, СибНШШП, ЛТА, АЛТИ н др.) установленный по нормальному износу ресурс шрабатыв^ет лишь 70$, а некоторые виды пил - 50$ и мене^. Это означает, что в сложившейся практике использования пил 30-50$ состазляет тал называемую аварийную убыль, связанную с различного рода разрушениями (выкрашивания режущих кромок, образование трещин з области зуба и полотна, полное разрушение пилы в каком-либо сече-,нии).

Сравнение объема недостающих пил с величиной непроизводительных потерь убеждает, что повышение долговечности.инструмента лишь на 20$ решает проблему обеспечения предприятий без расширения производства и импортных поставок.

Актуальность проблемы повышения долговечности пил состоит не только в пчлном обеспечении деревообрабатывающих предприятий инструментом, она состоит в значительном снижении затрат на производство и подготовку, значительной экономии дорогостоящей инструментальной стали и, наконец, в повышении производительности деревообрабатывающего оборудования. При этом имеются в виду не только простои, связанные с заменой вышедшего из строя инструмента, но и реализация возможностей современного оборудования, которая ограничивается'в настоящее время возможностями инструмента.

Цель и задачи работы. Целью работы является повышение эффективности использования дереворежущих пил путем создания условий, обеспечивающих увеличение их долговечности в результате сокращения непроизводительных потерь, выраженных в виде различных разрушений, на базе управления процессом образования и развития повреждений.

В соответствии с целью работы определены следующие основные задачи' исследования:

- проанализировать виды и характер отказов, их швторяе-цость, установить общие причины возникновения повреждений пил;

- произвести выбор и обоснование критерия перехода кнст-рушита в запредельное состояние;

- прокзвосщ кошасксный анализ всех факторов, способствующих возникновению отказов;

- уточнить характер распределения напряжений с учета« конструктивных особенностей пил и условий эксплуатации;

- исследовать процесс развития повреждений и установить основные закономерности развития трещин;

- определить показатели механических свойств сталей, характеризующих способность материала сопротивляться распространению трещин при статических и циклических нагрузках;

- разработать метод расчета коэффициентов интенсивности напряжений для области со сложной геометрией контура;

- разработать метод расчета долговечности пил с учетом случайного характера действующих на пилу факторов;

- разработать способы повышения долговечности пил на базе управления процессом развития повреждений;

- обосновать основные конструктивные и технологические параметры пил и процессов_пиления;

- обеспечить внедрение результатов исследования в деревообрабатывающую промышленность.

Решение этих'задач проводилось в соответствии с координационным планом научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ Минлеспрома СССР, планом работ АлТИ (г.Архангельск) с 1982 по 1939 гг. (номера государственной регистрации тем 81018100, 01830023315, 01830025315, 01870072529, 01850079974, 01660020390, 01560020388, 01870072529, 01880024669, 01890037141 Автор диссертации являлся руководителем и исполнителем отмеченных научно-исследовательских работ.

Научная новизна работы. I. Установлена и подтверждена на практике зависимость показателей долговечности дереворежущих пил от ряда факторов, не принимавшихся ранее во внимание: параметров и качества заточки, технологических параметров пиления, технического состояния пильного агрегата, механических характеристик древесины. Доказано, что операция'заточки является не только способом восстановления режущих способностей инструмента, но и споеэбом повышения его долговечности.

2. Основываясь на принципах существования в пиле начальных дефектов типа трещин, установлено, что в нормальном эксплуатационном режиме развитие повреждений не может происходить мгновенно. Возникновение отказа представляет собой длительный процесс, состоящий из ряда отдельных стадий.

3. Предложен новый подход к оценке работоспособности дере-йореяущих инструментов, позволяющий в отличие от существующих построить функциональные связи меледу параметрами качества изготовления пил, их подготовки к работе и параметрами условий пиления.

4. Вскрыты закономерности процесса развития повреждений. Доказано, что ранние стадии характеризуются низкими скоростями развития повреждений и допускают управляемость процессом разрушения пилы.

5. Уточнены представления о роли отдельных факторов, способствующих возникновению отказов. Обчаружено, что характер влияния нагрева дисковых пил при поперечной распиловке бревен принципиально отличается от характера влияния этого фактора на пилы при продольном пилении древесины. Поэтому способы компенсации температурных напряжений, разработанные для пил продольного пиления, не являются применимыми для пил при поперечном раскрое бревен.

6. Получены новые результаты о влияния зубчатого контура пилы на напряженное состояние, скорость развития повреждений, долговечность пил. Доказано, что отказ от учета совместной до-формации зуба и полотна приводит к погрешности расчета, затрудняющим получение адекватных оценок.

Ч. Построено решение задачи о напряженном состоянии полосовых пил при вальцевании, отражающее условие .неразрывности среды на границах следов прокатки. На базе предложенного решения доказано, что различие способов вальцевания проявляется

лишь в концевых зонах пилы и обусловлено стесненностью деформаций конпевых сучений.

8. Получены ранее не определяемые механические характеристики материала пил, характеризующие его способность сопротивляться развитию трещин. Установлено, что в ряде случаев нагру-кения существуют условия нераспространения трещин в усталостном режиме. Установлены пороговые значения коэффициентов интенсивности напряжений.

9. Предложены, проверены экспериментально и внедрены в практику способы торможения трещчн путем перераспределения напряжений .

10. Обоснованы параметры подготовки инструмента, исходя из условий долговечности.

Положения, выносимые на защиту. I. Теория расчета долговечности дереворежущих пил, основанная на принципах:

- отказ от принятой в настоящее срамя в практике оценки работоспособности концепции бездефектной структуры материала;

- признание наличия в пиле начальных дефектов типа трещин п возможности их развития;

- существование возыозшости управления процессом развития повреждений;

- наличие количественных связей между параметрами подготовки пил к работе и режимами их эксплуатации.

2. Способ торможения трещин путем создания компенсирующих напряжений в.потенциально опасных зонах пилы.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается экспериментальными данными и практикой эксплуатации пил. Теоретические зависимости получены при корректных допущениях, не противоречат основным положениям теории упругости, линейной механики разрушения и результатам ранее выполненных исследований. Расчеты выполнены с применением современных средств вычисления. Погрешность вычисления при решении отдельных задач итерационным методом» при решении задач в форме рядов устанавливалась не более одного процента.

Достоверность экспериментальных исследований мо:хет быть признала достаточной, так как показателя статистической'обработки соответствуют общепринятым в практике научных исследований.

Практическая значимость работы заключается в том, что полученные результаты являются основой повышения эффективности использования дереворежущих пил; позволяют целенаправленно развивать проблему разработки новых сталей для изготовления плл; позволяют обоснованно решать задачу совершенствования норм расхода, нормативных документов, регламентирующих режимные Параметры подготовки и эксплуатации; позволяют обоснованно планировать производство инструмента.

Используются или могут быть использованы следующие конкретные результаты работы:

- принципы расчета долговечности дереворежущих пил;

- методика расчета напряжений, скорости развития трещин, рпределения ресурса работы;

- параметры подготовки пил;

- значения вязкости разрушения материала.

Апробация работы. Основные положения диссертации и отдельные ее разделы докладывались и получили одобрение на научно-технических конференциях АЛТИ в 1977-90 гг.; ЛТА в 1986г., в МИТИ'- 1981г., 1984, 1985, 1989, 1990 гг., на Всесоюзных конференциях в АЛТИ - 1984 г., в БТИ - 1985г., на Всесоюзном семика-ре школы передового опыта по прогрессивным методам изготовления и подготовки дереворежущего инструмента в Ивано-Франковске в 1990 г. .

Реализация работы. Основные результаты работы внедрены на предприятиях производственного объединения "Северолесоэкспорт". Годовой экономический эффект, полученный предприятиями, составляет 713 тыс.руб. в год.

Публикации. Материалы диссертации опубликованы в 31 печатной работе. . . .

Объем работы. Диссертация состоит из введения, 9 разделов, выводов и рекомендаций, списка литературы и приложений. Содержание диссертации изложено на 290 стр. В работе содержится 39 таблиц, 86 рисунков. Список литературы насчитывает 147 наименований, в том числе 13 - на иностранных языках. Приложения составляют 67 стр.' и включают в себя: программу расчета, результаты определения механических характеристик, результаты исследования работоспособности пил на предприятиях, параметры качества подготовки пил, акты внедрения.

Содержание работы

Во введении дано обоснование актуальности теш, приводится новизна научных исследований, их практическая значимость, сформулировшш научные положения, выносимые на защиту, приведена ' анно тация рабе ты.

В первом разделе - "Анализ работоспособности дзргворс:--учях пил и методов оценки их долговечности" - приводится анализ установленной нормативными документами и фактической долговечности пил, составленной по данным производственных исследований, указаны причины снижения ресурса работы инструмента. Намечены основные пути решения проблемы.

В настоящее время ресурс работы пил, а вместе с тем параметры подготовки,'рекимы эксплуатации назначаются из условий затупления режущих граней..Вопросы обеспечения прочности инструмента при этом из рассмотрения исключается. В результате оказывается, что установленный ресурс вырабатывает в среднем 5070% рамных пил, до 60$ круглых пил большого диаметра и около 30$ ленточных пил. Об этом свидетельствуют и коэффициенты аварийного расхода (случайной убыли), введенный в нормативные документа, Проблема повышения долговечности пил становится наиболее острой в зимний период. Для отдельных видов пил в этот период фактический ресурс составляет 0,1 от установленного.

1Ь данным исследований в производственных условиях установлено, что снижение долговечности пил происходит в результате различных разрушений: выкрашивания вершинной части зуба, образования трещин в области зуба и полотна, полного разрушения зуба и полотна. Из всех отмеченных повреждений наиболее значимыми оказываются повреждения полотна, так как при этом в большинстве случаев исключается возможность восстановления работоспособности пилы.

В то же время, как показывают исследования пил в производственных условиях, повреждения полотна имеют наибольший удельный вес в общей величине разрушений.

В результате анализа фактической долговечности пил установлено, что методы оценки работоспособности, выбор параметров подготовки, назначение режимов эксплуатации не могут базироваться лишь на-критериях затупления. Повышение ресурса работы требует рассмотрения во взаимосвязи всего комплекса факторов,

способствующих переходу инструмента ^ запредельное состояние.

К настоящему времени накоплен обширный экспериментальный и теоретический материал, посвященный проблеме работоспособности инструмента. Осноснке принципы и подходы, с4юр?лулиропаншз на базе обобщения многочисленных исследований, содержатся п фундаментальных трудах А.Э.Грубе, Ф.М.Манжоса, С.П.Воскресенского, В.И.Санева, Ю.М.Стахиева и составляют основу нормативных документов на изготовление, подготовку и эксплуатацию дереворелу-щих пил. Однако при всей значимости имеющихся исследований, '"огообразии способов решения проблемы ряд вопросов, касающих-ея прочности инструмента, не имеет достаточно полной проработ-:■:;». Сложность и многообразие кошлекса причин, способствующих переходу инструмента в аварийное состояние, принятые в практике исследования подходы позволили получить оценки с большим числом допущений, во многих случаях неадекватно отражающие наступление предельного состояния. В частности, основываясь на принципах бездефектной структуры материала, классических теориях прочности,предполагается, что разрушение происходит мгновенно и в тот момент, как только в какой-либо точке напряжения или другая величина, характеризующая напрятанно-деформирован-ное состояние, достигает предельного значения. Практикой эксплуатации эти положения не подтверждаются. Выполненные различными авторами расчеты показывают, что коэффициенты запаса статической и усталостной прочности значительно превышают установленные в машиностроении допускаемые значения.

Изучение условий эксплуатации пил в производственных условиях, анализ их работоспособности, рассмотрение литературных данных приводит к выводам: существующие исследования направлены в основном на решение технологических задач по обеспечению точности, качества и производительности процесса пиления; повышение долговечности решается путем увеличения периодов стойкости за счет повышения износостойкости-режущих граней, что в конечном итоге создает условия повышенного расхода инструмента: методы определения напряжений, базирующиеся на упрощенных расчетных схемах, не обеспечивают получение результатов с достаточной точностью; методы оценки работоспособности неадекватно отражают наступаете отказа; характеристики материала пил имеют систематическую проработку лишь в смысле используемых подходов к огенке прочности.

В результате рассмотрения состояния вопроса определен круг задач, направленных на снижение непроизводительных потерь дереворежущих пил и намечены пути решения.

3 разделе 2 - "Теоретические основы оценки надежности пил"-содерхштся обоснование критериев перехода пил в состояние, которое должно расцениваться как неработоспособное.

Исходя из современных представлений о структурном строении материала, исходя из опыта эксплуатации пил, в дальнейшем предполагается в пиле наличие начальных дефектов типа трещин. В качестве таких дефектов могут рассматриваться различного рода включения в структуру материала, микро- и макротрещины, возникающие при заточке инструмента. Предполагается также справедливость гипотезы линейного деформирования материала, что позволяет использовать принципы и методы линейной механики разрушения»

Факторы, воздействующие на пилу, механические свойства материала, конструктивные параметры зубьев рассматриваются как .случайные величины или функции с заданными плотностями распределения. Задача оценки надежности инструмента сводится: к составлению условия, определяющего наступление отказа; к определению вероятности события, вытекающего из условия наступления отказа.

Если наступление отказа происходит как процесс, протекающий во времени, то задача оценки надежности заключается либо в •определении вероятностных характеристик момента времени, при котором процесс впервые превысит опасный уровень, либо в определении вероятности события, что за заданный промежуток времени процесс ни разу не превысит опасный уровень«

Исходя из предпосылки о наличии начальных трещин, возникновение отказа связывается с состоянием наиболее опасной трещины.

На основании принципов механики разрушения напряженное состояние б окрестности конца трещины описывается в общем случае тремя коэффициентами интенсивности напряжений (КШ), соответствующими нормальному отрыву (Л.), плоскому и антиплоскому сдвигу

Анализ характера разрушения пил, исследование их напряженного состояния свидетельствует о том, что основным видом разрушения является развитие трещин по типу нормального отрыва. Из этого следует, что основное значение имеют коэф^пыенты перво-

го типа (Лг)'

Рассматривается три подхода к составлению условия безопасной работы пилы.

1. Можно полагать, что предельное состояние пилы будет достигнуто , как только создадутся условия нестабильного развития трещины. Считая, что напряженное состояние у конца трещит! описывается коэффициентом интенсивности Л>, критерий наступления отказа формулируется в виде

л> (-£, Р)- /г, , (I)

где & - длина трещины;

Р - параметр нагружения, включающий в себя действующие на пилу силовые воздействия, температуру, конструкцию пилы и зубьев, а также другие фактор«, которые оказывают влияние на величину напряжений;

/Г - критический коэффициент интенсивности напряжений (механическая характеристика материала).

Состояние пилы, описываемое условием (I), возникает либо в'результате образования длинной трещины, либо в результате действия нагрузки, которая значительно превышает эксплуатационную в установившемся режиме. Если известна функция КШ, то отмеченное условие дозволяет определить область опасных значений параметров и Р . В смысле оценки работоспособности условие (I) не представляется рациональным, так как предполагает выход пилы из строя в результате разрушения. Практическая ценность "(I) состоит в том, что условие позволяет определить длину трещины," при которой пила подлежит выводу из эксплуатации.

2. Другой критерий вытекает из того факта, что существует условия нераспространения трещин в усталостном режиме. Начало распространения трещины определяется условием:

• лу , р) - , . (2)

где Л"^- пороговый коэффициент интенсивности напряжений.

Практический интерес условия (2) состоит в том, что позволяет установить предельно допустимую длину начального дефекта. Однако получаемые при этом оценки оказываются заниженными и на вскрывают резервов использования материала..

3. Учитывая, что во всех типах пил образование трещин происходит в межзубовых впадинах, существует возможность допустить развитие трещин в устойчивом режиме в пределах слоя, сил-

маемого при заточке инструмента. Таким образом, если в любой из периодов стойкости трещина не превысит заданной длины, то безопасность пилы на всем периоде эксплуатации до полного износа будет обеспечена. Критерий наступления отказа при этом записывается в виде:

£, (з)

где $ - толщина снимаемого при заточке слоя.

Если в какой-либо из периодов стойкости трещина превысит установленную длину, то ее развитие переходит в прогрессирующий режим и предотвратить полное разрушение пилы уже не представляется возможным. Яри этом оценка работоспособности пилы должна производиться на основании критерия (I).

Длина трещины в условии (3) является функцией времени и обширного списка параметров,, связанных с качеством подготовки пил, условиями эксплуатации, свойствами и качеством материала. Из рассмотренных критериев наступления отказа наибольшее практическое значение имеет кинетический (3). Кго использование открывает возможности нормировать параметры подготовки, эксплуатации при зеданноц периода стойкости или решать' обратную задачу, при заданных режимах эксплуатации и. подготовки устанавливать допускаемый период стойкости. «

Для решения задачи' о вероятностном аспекте, следуя методу А.Р.Р&аницина, вводится в рассмотрение понятие резерва прочно-

СФИ* .

Я ~ Q - в , (4)

где под Û понимается нормированная величина, характеризующая Прочность пилы j, / К Под понимается обобщенный пара-

метр, характеризующий погруженность. Полаг&зтся отсутствие корреляционной связи между величинами ß и О- . При оценке' работоспособности пилы на основании критериев (I) и (2) вероятность безотказной работы определяется в виде:

' рш f- / P{g)dß , (5)

-со

где Р(Ю~ функция распределения резерва прочности.

Применение критерия (3) связано с учетом процесса разрушения. Предполагается, что во все периоды стойкости обеспечиваются одинаковые условия эксплуатации пилы с равными характеристиками рассеяния факторов, способствующих процессу разрушения, Предполагается также, что эффектом старения материала можно пренебречь.

Резерв прочности представляется как случайная функция: = ¿?- £ {€) . (6)

Возникновение отказа трактуется как переход через нуль функции область отрицательных значений. Решение задачи

основывается на теории выбросов случайного процесса. При этой надежность пилы определяется в виде:

Н-[*~Ря(0)\ехр\-/и(0)М}^ (7)

где р '(о) - интегральная функция распределения резерва проч-

я ности при £=0 ;

21 (К) ~ плотность распределения выбросов процесса.

Данными натурных наблюдений установлено, что величина^с достаточной для практических целей точностью подчиняется нормальному закону распределения, а в пределах малых длин может рассматриваться как гауссовский процесс.

Так как напряжения, КИН, скорости развития трещин представляют собой-сложные функций большого числа случайных параметров, то решение задачи может быть получено лишь с применением метода статистической линеаризации. Таким образом, для решения задачи в изложенной постановке необходимо: изучение механичес— ких характеристик материала, исследование коэффициентов интенсивности напряжений, анализ скорости роста трещин.

Третий раздел посвящен.исследовалию механических характеристик материала. Характеристики статической прочности и пластичности отечественных марок сталей, применяемых для изготовления пил, имеют достаточно полное освещение в современной литературе. Определение их регламентировано соответствующими ГОСТами, и реализация установленных методик не вызывает принципиальных затруднений. Менее изученными являются характеристики-усталостной прочности, определение которых производится преимущественно на основании эмпирических соотношений.

Характеристики статической и циклической трещиностойкости сталей, применяемых для изготовления пил, к настоящему времени не имеют систематического изучения. .

Испытания материала по определению характеристик трещиностойкости выполнены в соответствии с требованиями Г0СТ25506-85. Образцы изготовлены из пил, выпущенных Г0ГЕ.13 из базовых марок сталей 9X3, 9л>;Ц, опытных '<0Ш21й1>А, ЗОХМГА, а также из сталей

зарубежных фирм "Сандвик" и "Уддехольм". Размеры образцов определены методом пробных экспериментов так, чтобы выполнялись условия корректности. Начальная трещина создавалась путем надреза с последующим выращиванием ее в усталостном режиме.

Учитывая, что в пилах возникает плоское напряженное состояние, в экспериментах ставилась задача определения критического коэффициента интенсивности при плоском напряженном состоянии. При этом искомая величина зависит от толщины образца и не является в полном смысле механической характеристикой, сто обстоятельство делает необходимым определение характеристик тре-щиностойкости для калдой конкретной толщины пилы. Рассмотрение результатов эксперимента по сериям показало, что между вязкостью разрушения и твердостью существует связь, хотя и не весьма устойчивая. В большинстве случаев более высокой твердости материала соответствует более низкая вязкость разрушения.

В целях изучения установленной закономерности на ГОПМЗ была изготовлена партия пил и образцов пониженной твердости по сравнению со стандартной. Установлено, что при твердости 38-40 НЕС критический коэффициент интенсивности напряжений оказывается на 8-9$ выше, чем при стандартней твердости 44-46 НЙС. При снижении твердости в указанных пределах снижение износостойкости ревущих граней по данным К.М.Боровикова не наблюдается.

Выполненный металлографический анализ'показал, что вязкость разрушения существенно зависит от структуры материала и характера распределения карбидных включений. При равномерной распределении карбидов по всей металлической матрице во всех случаях наблюдались наиболее высокие .значения вязкости разрушения.

Температуры нагрева пил, возникающие в эксплуатационном режиме в э^оне развития повреждений, не оказывают влияния на величину вязкости разрушения. Этот вывод получен в результате исследований при нагреве образцов до ?0°С.

Исследование влияния наплавки стеллита на механические характеристики материала показало, что проведение данной операции по существующей технологии приводит к образованию области с пониженными характеристиками трещиностойкости, Причем, наибольшее ослабление материала на 16-17$ наблюдается з переходной зоне., расположенной в оск:;о?:нп1* зуб;-,. Отрицательное влия-

нив данной операции усиливается еще и тем, что переходная зона расположена в области наиболее высокой концентрации напряжений.

Из числа циклических характеристик трещиностойкости наибольший интерес представляет пороговый коэффициент А^ и коэффициент j3 , описывающий характер кривой кинетической диаграммы усталостного роста трещины.

Пробными экспериментами установлено, что образу, изготовленные для определения статических характеристик, могут быть использованы при циклическом нагружении.

Основываясь на выводах работ В.В.Панасюка, С.Я.Ярет, B.C. Ивановой и др., принято, что КИН может расцениваться как пороговый, если скорость развития трещины составляет не более 10"' мм/цикл.

Анализ проведенных экспериментов позволяет отметить ряд особенностей поведения материала. В области малых скоростей развития трещин рассеяние параметров процесса разрушения значительно больше, чем в области средних и высоких скоростей. При знакопеременном цикле с положительным средним значением нагрузки отличие порогового коэффициента от значений, полученных при отнулевоы цикле, не наблюдается. Это означает, что отнулевсй цикл и цикли с отрицательным! коэффициентами асимметрии являются эквивалентными.

Определение циклических характеристик трещиностойкости представляет собой трудоемкий процесс, поэтому в работе дана оценка возможности применения эмпирических зависимостей, предложенных в работах П.И.Кудрявцева, В.П.Когаева,'И.А.Пахмутова, А.П.Гусенкова, к рассматриваемым маркам инструментальных сталей.

Результаты исследований для наиболее распространенной стали (9ХФ) помещены в табл. I.

Таблица I

Значения характеристик трещиностойкости

Характеристика ! j Толщина пилы, мм

! .1,2 2.2 5

Ас , Ша М1''2 Aih , Mila-M1^2 , мм/цикл 146,4 14,3 ■ ' 0,0315 . '173,0 .13,9 0,041 128,5 12,2 0,008

В четвертом разделе изложены основные положения исследования напряжений в дереворежущих пилах, приведены решения ряда задач, получены расчетные зависимости для определения напряжений.

Вопросам исследования напряжений в дереворежущих пильных инструментах посвящены работы Г.С.Гуркина, Г.А.Кодзишского, В.И.Санева, В.К.Пашкова, Ю.М.Стахиева, Е.М.Боровикова, И.И. Трубникова и других авторов. Анализ выполненных ранее исследований показывает, что сложность комплекса факторов, влияющих на напряженное состояние, геометрическая сложность контура пилы послужили причиной применения упрощенных расчетных схем с большим числом допущений. Вместе с тем ряд вопросов, касающихся действия гироскопических сил, колебаний не нашли отражения в ранее выполненных исследованиях. Попытки учета реальной гео-изтрии зубчатой кромки сведены к рассмотрению межзубовых впадин как концентраторов напряжений.

Рассмотрение современных методов механики твердого тела приводит к выводу, что наиболее рациональным для решения поставленных задач является метод конечных элементов. Недостатком метода является лишь то, что при многочисленных расчетах требуются значительные затраты машинного времени и необходимость подготовки больших массивов исходных данных.

Поэтому в работе принят путь комбинации аналитических решений и метода конечных.элементов. Возможность комбинации основана на том, что концентраторы напряжений создают поля возмущенных напряжений в локальных областях, примыкающих к зубчатой кромке. Это дает возможность выделять фрагменты у зубчатой кромки сравнительно небольших размеров. Однако размеры должны быть какими, чтобы за пределами выделенной области влияние концентраторов не проявлялось. Вместе с тем предполагается, что влияние зубчатой кромки не зависит от вида воздействия. При этом возникает розможность введения функции влияния конкретного очага концентрации напряжений, которая представляет собой отношение фактических напряжений к номинальным, подсчитанным для пилы или фрагмента с гладким контуром, в каком-либо сечении пилы. Таким образом,*отмеченный подход требует построения аналитических решений для пилы с гладким контуром и последующего уточнения результатов расчета методом конечных элементов.

Следуя ранее выполненным исследованиям, в качестве основ-

ных нагрузочных факторов принимаются силы резания, температурные воздействия, силы начального натяжения. Для дисковых пил вместе с тем учитываются поперечные колебания, инерционные силы, гироскопические. Технологические факторы: гидротермическоо состояние и порода древесины, скорость подачи и резания, гео-мотрические параметры зубьев, степень их затупления учитываются через отмеченные факторы. Во всех случаях полагается, что материал пилы следует закону Гука.

Решение задачи методом конечных элементов принято в форме перемещений для треугольных элементов с шестью степенями свободы. Решение реализовано на ЭВМ. Текст и описание программы со-доржится в приложении к диссертации.

В вопросах оценки прочности пил значительное место занимает задача о вальцевании. Для дискозых пил данная задача имеет достаточно полное освещение в литературе. Применяемые здесь решения удовлетворяют полной спстеме уравнений теории упругости. Для полосовых пил использованы технические решения. Принятые при этом допущения не обеспечивает неразрывности среды, предполагают однородное напряженное состояние не только в следах прокатки, но и в зонах, выделенных этими следами. В целях уточнения характера распределения напряжений построено решение зада-г чи, удовлетворяющее уравнениям теории упругости. Общее решение системы уравнений теории упругости принято в форме П.Ф.Папкови-ча, выраженное через одну бигармоническую функцию В пре-

делах полосы пластического деформирования (полосы прокатки) распределение напряжений принято равномерным. На границах сопряжения полос ставятся условия неразрывности напряжений и перемещений: ^

■ (8)

где - номер полосы. Решение ищется в форме ряда Фурье:

>т. Г; (у)6Ш<£ГХ , (9)

у У'0 •

где у

£ - длина рассматриваемой части пилы.

Лпя построения репончя задачи о напряженном состоянии всей совокупности по юс пепочьзован метод расчета слоистых с,"вд, в т^-удох Г.М.Раппопорт. С о-гой полыо реаю-

ется четыре задачи для отдельной полосы при задании на одной из ее граней (У''01 следующих граничных условий:

/. 7/= / } тг*о ; еь-о : °)

2. Г*г; $¿'0; (10)

3. 11'О; Г--0; = ГХе/* о; . .

71-- О ; ^ О; /

Функции напряжений и перемещений ) » полученные при этом, позволяют записать решение в форме алгебраической суммы частных решений. Например, для перемещения и имеем:

г 'П,с а1гК,1 у,¿' Не >

где , 2Г, (3^., - начальные функции для ¿-той полосы; т /. . Кге ' ~ ФУ11^11» полученные в результате реше-п' ' ния отмеченных задач.

Таким образом, решение оказывается выраженным через деформации, создаваемые пластическим деформированием в следах прокатки .

В форме рядов Фурье построено решение задачи о напряженном состоянии полосовых пил от действия сил резания и нагрева. Расчетная схема показана на рис. I. Распределение температуры

по ширине полотна принимает-

1

ч

тг

ся в форме, предложенной в работе В.И.Санева.

т

Г- т0 с А тг/ ,

(12)

Рис. I'. Расчетная схема

где Та - температура нагрева . задней кромки пилы;

/77 - размерный параметр.

Функция напряжений, удовлетворяющая бигармоническо-му уравнению, принимается в виде:

■//ЕсСШ^г/, (13)

у)Я¿пс^.х +

где В г модуль упругости;

оС - коэффициент линейного расширения материала пилы. Задачи о напряженном состоянии дисковых пил рассматриваются в плане вопросов, не имеющих достаточно полной проработки в современных исследованиях.

Исследованиями, проведенными в производственных условиях, установлено, что распределение температуры в дисковых пилах при поперечном раскрое бревен принципиально отличается от распределения температуры в пилах продольного пиления. Экстремумы температур оказываются не в периферийной зоне пилы, а серединной . Поэтому распределение напряжений'имеет отличие от пил продольного пиления.

На основании опытных данных функция распределения температуры представлена в форме полинома Лаграняа:

Т=£С.ъ£, Ш)

¿'О <-.

где 2 - радиальная координата точки пилы;

¿\ - коэффициенты, определенные на основании опытных данных.

Установлено, что достаточная точность расчета может быть юлучена при использовании первых четырех членов полинома. Ре-аение задачи получено на основании известных соотношений тоо-жи упругости для круговой области. Учитывая, что закрепление шлы зажимными шайбами создает стесненность деформации в обла-:ти контакта с шайбами, рассматривается два крайних случая: ¡вободной посадки и жесткого защемления, отличающиеся граничным условиями. При свободной посадке на внешнем и внутреннем юнтуре пилы ставятся условия <3^*0, При жестком защемлении: |а внутреннем контуре - , на внегчем контуре Зада-

га имеет решение в'замкнутом виде, расчетные зависимости прад-:тавлены в элементарных функциях."

По данным многочисленных исследований поперечные колебание .исковых пил представляют собой наиболее существенный фактор, пособствующий разрушению. Анализ работ А.Э.Грубе, В.И.Санева, .К.Пашкова, Ю.М.Стахиева и др. свидетельствует о том, что ис-. ледование колебательного процесса направлено в основном на редотвращение резонансных явлений и сводится к нахождению час-от собственных колебаний. Однако и вне резонансных частот при становившихся колебаниях возникают значительные по величина апряжения.

При современной изученности проблемы колебаний, при отсут-гвии необходчшх сведений о возмущагчцих факторах на данном гапе не представляется воаможнгч построение точных ан-гяитлчо-•{'IX ретеняй. Вопрос '»пучения напряжений модет ретатьс.т с пози-

ций комплексного подхода, использующего результаты экспериментальных данных и теоретических решений.

Исследованиями, проведенными в лабораторных и производственных условиях (ЩШОД), доказано, что в эксплуатационном ре-снме преобладают формы колебаний без узловых окружностей. В этом случае функция перемещений серединной поверхности пилы, удовлетворяющая условиям закрепления На внутреннем контуре V&O, J^j - О и дифференциальному уравнению изогнутой поверхности-, может быть принята в виде:

кг - 2ï0 fv-apff + âf * 3Z J* ) , (15)

где Ufe - параметрf определяемый амплитудой колебаний;

17 - радиус опорного контура пилы;

S - внешний радиус;

/? - число узловых диаметров;

В , Зг~ коэффициенты, определяемые из условий на внешнем контуре пилы.

Таким образом, если известны амплитуда (А) и форма колебаний (п) , то решение задачи не имеет принципиальных трудностей. Для определения этих величин проведены исследования пил в эксплуатационном режиме. При этом с достаточной точностью удается определить лишь амплитуду колебаний. Форма колебаний вследствие изменяющихся режимов нагружения не остается постоянной. Поэтому с равной вероятностью можно полагать любую'из первых пяти форм; указанных в работе Ю.Ы.Стахиева. Для оценки прочности необходимо выявление условий, создающих экстремальные напряжения.

Фактором, которой также не учитывался ранее в оценке прочности пил,является несовпадение плоскости пилы с плоскостью ее вращения (торцевое биение). Возникающие при этом-гироскопические силы .создают значительные напряжения, в частности, в пилах большого дааметра.

Интенсивность действующих сил представляется в виде:

ç = 2jou>*zÀSincC - Cas â, (16)

где -, плотность материала;

cû - частота вращения гмлы;

Л - толщина пклы;

с/ - угол отклонения пилы от нормального к оси вращения положения;

Z, О -- радиальная и угловая координат^!.

Решение дифференциального уравнения изогнутой поверхности пилы имеет вид:

2 * * ■* Ь) СОЗб> (17)

;-до Ю - цилиндрическая жесткость пилы:

С.. - коэффициента, определяете из граничных условий.

Напряжения определяются на-основании соотношений теории тонких плит.

Расчет и анализ напряженного состояния дереворежущих пил содержится в пятом разделе.■

Основ-эе расчеты выполнены для геометрических параметров зубьев, устаю пленных ГОСТами на соответствующие пилы. Влияние отклонений парамзтров от нормативных значений оценивается п рз-зультате расчета с варьированием того или иного параметра.

Во всех типах пил установлено два потенциально опасных сечения. Одно сечение расположено в основании зуба, второе - перпендикулярно оси полотна в рамных и ленточных пилах и по радиусу в дисковых.

В области зуба из всех компонентов наибольшими оказываются нормальные.напряжения на площадках параллельных оси полотна (тангенциальных в дисковых пилах). Экстремальных значений эти напряжения достигают на передней грани в зоне сопряжения зуба с полотном. Два других компонента нзлряжений (эх и в шбой точке сечения составляют на более 10% от <Оу.

При прочих равных условиях касательная сила Рк создает на-[ряжения на 10$ больше, чем нормальная .

Силы натяжения полотна уV создают локальное поло напряжо-ий у основания зуба. По мерз удаления от основания зуба к его ершине происходит быстрое убывание всех напряжений, вызванных ействием сил монтажного натяжения.

Рассматривая значения контурных■напряжений, полученных с четом Св различных точках межзубовой впадины обнуливаются еще две зоны наиболее высоких уровней напряжений, асположенных у линии дна межзубовых впадин. Как правило, иыен-з из этих зон начинается разрушение полотна. Если .в точке со-ряжения передней грани зуба с впадиной,основную долг напряжен-)Го состояния создают.силы резания и. п-дачи, то в точках дна эжзубовой впадины напряженное состояние в основном зависит от [л натяжения.

Расчетами установлено, что из всех геометрических парамет-

ров зубьев наиболее существенное влияние на величину напряжений оказывают радиус закругления Ъ и высота зуба /г . Влияние этих параметров может быть описано зависимостью:

с{/г„-Л)} / (Ш)

где О' - напряжение, вычисленное при номинальных значениях геометрических параметров; нормативные значения параметров;

С - коэффициент, определенный методом конечных элементов. Из числа технологических факторов наибольшее влияние на величину напряжений оказывают высота пропила и скорость подачи (рис.2). При резании мягких пород в широком диапазоне изменения

скорости реаания V влияние ее на величину напряжений можно считать незначительным, так как составляет 1-2%. При пилении древесины твердых пород изменения скорости резания в диапазоне 20-50 и/сек приводит к изменению напряжений лишь на 4%. Аналогичное влияние оказывает и ширина пропила. Распределение напряжений в полотнах пил во всех случаях получено с учетом реальной геометрии зубчатой кромки.

Рис. 2. Влияние технологических факторов на напряженное состояние ленточных пил.

21 & - подача на зуб; тТ - скорость резания; 6 - ширина пропила; // - высота пропила. В рамных и ленточных -пилах наибольшие напряжения возникают в поперечных сечениях полотна, проходящих через точки дна межзубовых впадин; Наибольшими оказываются нормальные к плоскости сечения напряжения Сох . Два других компонента возникают лишь в зонах, прилегающих к зубчатой кромке и составляют не более 0,1* от (5Л. Основной вклад в напряженное состояние полотна вносят силы натяжения. Силы резания и подачи влияют на величину напряжений лишь в зонах, прилегающих к зубчатой кромке. '

Напряжения, возникающие при вальцевании полотна, в общем балансе напряжений составляют около Ь%. В зонах, удаленных от концов пилы, напряжения по длйне распределены равномерно. Раз-

пичие способов вальцевания (с планками, без планок) не сказыва-зтся на напряженном состоянии серединной зоны пилы. Особенность напряженного состояния в концевых зонах определяется степенью стесненности деформаций концевых сечений.

Температурные напряжения в дисковых пилах при поперечной распиловке .бревен в периферийной зоне в отличие от пил продоль-юго пиления оказываются положительными. Таким образом, способы компенсации температурных напряжений, разработанные для пил Продольного пиления, для рассматриваемых пил не являются оправ-[.анными.

Анализ моделирования способов закрепления пилы в расчетной :хеме дает основание полагать, что при оценке прочности целесо-бразно использовать схему свободной посадки.

В общей величине напряжений в дисковых пилах наиболее зна-ительнуго долю (50-60%) составляют напряжения, создаваемые ко-ебательным процессом.

Анализ процесса позволяет выделить два вида колебаний: еы-окочастотные и колебания низкой частоты. Колебания высокой ча-тоты в установившемся режиме работй пилы обладают регулярно-тью и практически не зависят от изменения режима работы пилы, асчет напряжений показывает, что более высоким формам при одт их и тех же амплитудах соответствуют большие напряжения.

Низкочастотные колебания происходят с большими амплитуда-л, с низкими формами. Напряжения, вызванные этими колебаниями, э величине превосходят напряжения от высокочастотной составля-цей; Однако скорость изменения этих напряжений значительно 5олее чем в 10-раз) меньше, чем при высокочастотных. При этом тедует полагать, что и повреждающая способность их меньше.

Анализируя напряженное состояние дисковых пил в опасной же (у зубчатого венца) установлено, что напряжения от дейст--ш сил инерщи составляют 12-13$, от действия гироскопических ш - окпло 10$, от неравномерного нагрева - до 30$, от сил ре-1ния и подачи - до 1$, от колебаний - 50-60$.

Переменная составляющая напряженного состояния в рамных шах создается силами резания, в ленточных пилах - изгибом «ты на шкивах, в дисковых пилах - колебательным процессом.

Характеристики рассеяния напряжений вычислены методом ста-стической линечртзании -

Анализ ттрспэссов игл мучения рамных : ленточннх пил позво-

ляет выделить ряд факторовотказ от учета которых позволяет рассматривать нагружение как поток дискретных случайных собы-' тий.

Принято, что распределение геометрических параметров эубь ев пил, сил резания, сил натяжения полотна и других факторов подчиняется нормальному закону. Исходя из этого, нормальный за кои распределения принят и для напряжений-.

Шестой раздел - нЗакономерности распространения трещин" -посвящен определению коэффициентов интенсивности напряжений и анализу скорости развития трещин.

Исследование напряженного состояния, а также опытных данных о характере разрушения пил определяют необходимость рассмо трения прямолинейных трещин в двух сечениях: в основании зуба и в полотне. Анализ напряженного состояния позволяет выделить и тот факт, что в том и другом сечении практическую значимость имеет лишь одно напряжение, а два других пренебрежимо малы. Та ■ним образом, практический интерес представляет лишь К?.

Рассмотрение методов вычисления КИН, разработанных в настоящее время, приводит к выводу, что для дереворежущих пил наиболее целесообразным является применение приближенного метода основанного-на рассмотрении равновесия сил в ослабленном сечении. Задача сводится к решению итерационным способом системы уравнений: ^ = ^ ; •

где <3^ - нормальное к плоскости сечения напряжение;

й - длина возмущённой зоны напряженного состояния у фронт

трещины; £ - длина трещины;

С- коэффициенты полинома Лагранжа, описывающего функцию напряжений в рассматриваемом сечении.

По мере увеличения длины трещины.происходит возрастание к эффициентов интенсивности напряжений. Наиболее интенсивное воз растание наблюдается в области малых длин трещин. По мере выхо да трещины из зоны концентрации-напряже^й, обусловленной зубчатой кромкой, интенсивность возрастания /^..снижается.

Расчетами установлено, что в зубьях рамных пил значительное влияние на величину Л- оказывает сила резания.. Сила подачи способствует уменьшению КИН.

(19

Сопоставление Д^- на фронта трещин в области зуба и полот-1 свидетельствует о то^, что сечение зуба находится в более . тагоприятньгх условиях, чем сечение полотна.

При изучении скорости роста трещин рассмотрены различные >дхо,га к ее определению. Признано целесообразным для дереворэ- . тцих пчл использовать зависимость, предложенную Г.П.Червпано-гм в виде:

Сиг.

'\т,/ГЛХ~ /77¿1

л-3 •

п2, /ТИП

(20)

;о /2 - число циклов нагрртення; Ук' г'аксга?альный'и минимальный за цикл нагруления. коэффициенты интенсивности напряжений.

Во всех типах пил при трещинах длиной до 0,04 мм скорость распространения оказывается ниже или близкой к пороговой. следующие этапы характеризуются все возрастающими скоростями, к,'на участке развитая трещины от 0,1 до I мм скорость разру-ния увеличивается в 6? раз. На последующих участках интенсив-сть скорости роста трещин усэличивается. При прочих равных ловиях трещина в сачегсш зуба, развивается со скорость^ нывей, чем в сечении полотна (рнс.З).

В рамных и ленточных пилах скорость разрушения полотна в основном определяется силами начального натяжения. Вместо с тем установлено, что с увеличением размаха коэффициентов интенсивности происходит возрастание скорости развития трещин.

О 055 Ц53 0,15 {.«« 'ис.З. Скорость роста трещин в рамных пилах.

1 - в сечении полотна;

2 - в сечении зуба.

При равных ^лахнаибольшая скорость развития трещин на-' дается при циклах с коэффициентами асимметрии /Ч , равны-, нулю. Отсюда следует, что увеличение долговечности пил может ь достигнуто не, только за счет снижения максимальных нагру-, но и за счет увеличения минимальный, , Существенным фактором, определяющим скорость разрушения, следовательно, и ресурс'работы пилы, является вязкость.раз-ения материала. Увеличение этого показателя приводит к сни-

1)0' и

ил

ад

а

о

2

жению скорости разрушения во всем диапазоне длин трещин. Причем влияние Ас оказывается весьма значительным. Так, например, увеличение Ас лишь на 20$ обеспечивает снижение скорости развития трещин в 2,4 раза.

'Седьмой раздел - "Оценка работоспособности пил" - содержит анализ степени влияния факторов, определяющих ресурс работы пилы. Теоретически обоснована роль параметров подготовки и эксплуатации ,'указаны допускаемые диапазоны изменения значений факторов, определяющих работоспособность пилы.

Исходя из принятого подхода к изучению прочности и долговечности инструмента, основанного на принципах наличия начальных дефектов и возможности их развития, предполагается, что эксплуатационные свойства пилы сохраняются, если длина трещины в процессе развития не превосходит заданной величины. Рассматриваются две постановки задачи: определение времени развития трещины до заданной длины и определение длины трещины при фиксированном периоде ее роста.

Решение задачи получено путем интегрирования функции скорости распространения трещины. В общем случае время развития

трещины определяется в виде:

¿ = /-__

^ ?„■ К 1,/ггах~ ^т,теп ^с ~ мах (21)

- ■ Кгс ~ ^7,тсп

где с - период цикла нагружения, определяемый техническими

параметрами пильного агрегата; , - начальная и конечная длина трещины. Обсуждается безопасность пилы в пределах периода стойкости, установленного условиями затупления режущих граней. При этом в качестве конечной длины_трещины принимается толщина слоя, снимаемого при 'заточке инструмента $ .

Рассмотрение всего многообразия начальных дефектов типа трещин, возникающих в пиле на стадии изготовления, подготовки, эксплуатации, приводит к выводу о том, что наиболее крупными и неблагоприятно ориентированными по отношению к опасным напряжениям оказываются риски, возникающие при заточке инструмента, которые являются одной из характеристик качества подготовки пил к работе. Исследование данного параметра в производственных условиях свидетельствует, что в сложившейся производственной практике (здесь следует иметь в виду и культуру производства) шеро-

ховатость поверхностей составляет 100-120 мкм, хотя действующая нормативно техническая документация предусматривает шероховатость до 20 мкм.

. Таким образом, принимая в качестве начальной длины и в качестве конечной длины трещины $ , производится оценка периода стойкости по условию прочности.

Доказано, что при соблюдении нормативных требований к шероховатости время развития трещин во всех типах пил превышает период стойкости по затуплению. Более, того, установленные требования не являются необходимыми, так как да-ке в наиболее тяжелых режимах работы время развития трещин в 2..3 раза больше установленного период стойкости.

При фактической шероховатости (йе= 100 мкм) период стойкости рамных пил 3,5 ч удовлетворяет условию безопасной работы лишь в летний период при соблюдении нормативных требований к геометрическим параметрам зубьев. Пилы, оснащенные износостойкими материалами, имеющие период стойкости 7 ч, не могут безопасно эксплуатироваться в режимах, установленных нормативной документацией. Обеспечение безопасной работы требует, во-первых, повышения качества заточки. Влияние качества подготовки пил показано на рис.4. Установлено, что период стойкости пил, оснащенных стеллитовыми наплавками, обеспечивается, если шероховатость затрчки составляет не более 52,5 мкм. При пилении мерзлой древесины время развития.трещин значительно сокращается. Так, при начальной длине трещины 0,1 мм период стойкости 3,5 ч удовлетворяет условию прочности лишь при подачах ¿£=1,08. мм и высотах пропила не более 20 см.

Показано, что вопрос согласования периодов стойкости по усло-¡ию прочности и затупления может решаться не только путем почтения качества заточки, но и путем увеличения толщины стачиваемого слоя. Однако этот путь представляется менее эффектив-П.1Ч, так как по мере узел тенчя длины трещины скорость ее рос-'а увел:!'пэ;!г-т^я. Док?.зтп,существенное влияние качества мате-

Рис.4. Влияние качества подготовки рамных пил на время их работы.

риала,

ность 1шструг:гнта_(рис.5). Ток

однородности его механических свойств на работоспособ-

например, при пилении рамными пилами мерзлой древесины с подачей на зуб 1,99 мм при среднем значении вязкости разрушения стали 9ХФ 173 ЫДа Ы1/2 период стойкости по условию прочности составляет 2,47 ч. При тех же условиях, но при /Гс=225 МПа Н1' , период стойкости составляет 7,19 ч. При рассмотрении малых длин трещин.доказана возможность применения упрощенного решения для определения времени развития трещины.

1Ь0 К,нй4кХ

Рис.5. Влияние вязкости раз рутения на долговечность пил.

6 -

£-£{<5* -в"*

1 утгах Ш'

(22)

Определена вероятность безотказной работы пил для различных расчетных параметров (рис.60. Установлены значения основных параметров подготовки и эксплуатации, обеспечивающие безотказность работы пил с вероятностью не менее 95$. Для пил, оснащен-: них стеллитовыми наплавками, имеющими период стойкости 7 ч, уровень безопасности 95$ обеспечивается лишь при качественной заточке = 52,5 мкы).

В восьмом разделе - "Долговечность пил и способы ее повышения" - теоретически обоснована и экспериментально подтверждена возможность увеличения ресурса работы за счет рационального выбора параметров подготовки и эксплуатащи, а также за счет перераспределения напряжений путем пластического деформирования материала. Обоснованы диапазоны изменения параметров, обеспечивающие повышение долговечности инструмента. Показана роль и неоднозначность параметров а эффект/вкост I упсааче--

Рис. 6. Вероятность без-• отказной работы ленточных пил. .

пня процессом развития повреждений.

В результата обоснованного выбора параметров подготовки и эксплуатации существует возможность повышения ресурса рабо'Ш ря!-;!ак пил на 20$, ленточных пил - на 50$ и дисковых пил - в .-радием на 40$.

Другой способ повышения долговечности инструмента состой? з перераспределении напряжений и создаши барьеров на пути развитая трещин.

Предлоге но дез. способа пластического деформирования, один из котор^к защищен авторским свидетельством (а.с, 1201072) и состоит в создан:'.локальных пластических зон. ,

В де?:я?ом р-тзлзла приводится расчет'экономической эффективности от внедрения предложенных разработок в проюпплскность.

Учитывая лишь экономия средств эа счет сокращэния расхода инструмента и экономию средств за счет сокращения затрат на его подготовку к работе, показано, что в масштабе отрасли экономический эффект составляет 2,9 млн.руб. в год,

. В заключении приведены выводы и рекомендации,

1. Непроизводительные потери дереворежущих пил, имегтзькз з практике эксплуатации как случайная убыль , Еыраленныо а вида различных разрушений, слагаются из двух составляющих. Первая обусловлена попаданием инородных тел в зону резания. В общей величине разрушений эта составляющая занимает около 10$. Вторал часть потерь, занимающая до 90$ от общей величины, является следствием эксплуатационных воздействий. Интенсивность и характер отказов в этой части зависит от режимов пиления, качества подготовки пил к работе, свойств материала.

2. Основную долю разрушений всех типов составляют трещины в полотне.

3. Нагрузки, действующие на пилы всех типов в нормальней эксплуатационном режиме, невелики и не могут вызвать мгновенного разрушения.

4. Снижение долговечности пил происходит в результате развития усталостных процессов, занимающих длительный период и протекающих с различной'интенсивностью на различных стадиях. Ранние стадии развития повреждений характеризуются малыми скоростями ч допускают возможность управле гия процессом разрушения.' - '

5. Используемые в существующей практике расчета рабоТоспо-

собности пил подходы не отражают взаимосвязи всего комплекса факторов. В этой связи возникновение актов разрушения представ ляется как следствие несогласованности параметров эксплуатации и параметров подготовки.

. Получение адекватных оценок работоспособности дереворежущих пил возможно лишь на базе принципов, учитывающих наличие • начальных трещин и возможность их распространения.

6. Основными механическими характеристиками материала пил в рамках кинетического подхода к оценке долговечности инструмента являются показатели трещиностойкости.

7. Вязкость разрушения, определенная на образцах из тонких пил (до 2,5 мм), не является в полной мере механической характеристикой материала. Иа указанных размерах условия корректности выполняются лишь для плоского напряженного состояния. Это определяем необходимость соблюдения геометрического подобия образца и объекта.

Для толстых пил (более 5 мм) вязкость разрушения приближается к критическим'коэффициентам интенсивности напряжений при плоской деформации, и зависимость данного показателя от толщины образца утрачивается. Наибольшие значения вязкости разрушения обнаруживаются на образцах толщиной 2-2,2 мм.

8. При всех параметрах термической обработки материала вязкость разрушения в значительной мере зависит от вида структурных включений. Наличие полосчатой карбидности снижает показатели трещиностойкости стали на 20-30% по сравнению с равномерным распределением мелких карбидов по всей металлической матрице. Полосчатая рарбидность представляется аак фактор неоднородности материала.

9. Температуры нагрева пил в области межзубовых впадин, возникающие в эксплуатационном режиме, не приводят к изменению показателей трещиностойкости.

10. Температуры нагрева пил при наплавке стеллита вызывают изменение качества стали в переходной зоне. Опасность возникновения актов разрушения возрастает, если переходная зона оказывается в области наиболее высоких уровней напряжений.

11. В целях увеличения срока службы пил целесообразно выпускать пилы пониженной твердости 39-42 НРС. Уто обеспечит повышение вязкости разрушения, а износостойкость режущих граней сохраняется.

12. Распространенное в существующей практике расчета пил отдельное рассмотрение напряженного состояния зуба и полотна но является оправданным. Получаемая при этом точность результатов оказывается наиболее низкой именно в зонах возникновения и развития повреждений.

13. Для всех видов пил выделяется два потенциально опасных сечения. Первое расположено перпендикулярно оси полотна (по радиусу в дисковых пилах). Второе расположено в основании зуба. В каждом из сечений напряженное состояние можно рассматривать как линейное.

В области зуба напряжения во всех точках меньше, чем в области полотна в среднем в 1,7 раза. Напряжения в области зуба з основном зависят от сил, действующих в зоне резания.

Факторы, действующие на полотно пилы, не оказывают существенного влияния на напряженное состояние зуба. Однако напряжение состояние полотна рамных пил не может рассматриваться без гчзта сил резания и подачи.

14. Из всех геометрических парзкзгрэз зубьев пил наиболь-:оэ влияние па величину капрядеиий оказывают радиус закругло-1ия межэубовой впадины и высота зуба. Сшсзеиио напряжений про-сходит в результате уменьшения высоты зуба и увеличения ради-са закругления впадины.

15. Распределение температурных напряжений в дисковых пи-ах большого диаметра при поперечной распиловке бревен не сов-здает с распределением напряжений в пилах при продольной рае-уловке. 3 периферийной зоне пил при поперечной распиловке бро-зн напряжения всегда положительны. Поэтому применение к этим там способов компенсации температурных напряжений, разрабо-шных для пил продольной распиловки, создает дополнительные :ловия разрушения.

10. Переменная составляющая напряженного состояния в рам-х пилах создается сила«« резания. В ленточных пилах циклич-сть напряжений обусловлена изгибом ленты на шкивах. Влиянир л резания в общем балансе напряжений в этих пилах назначило но , Основную долю переменной составляющей напряжений диско-х пчл создает колебательный процесс. Влияние сил резания пре-Зренимо мало. -

17. При современной технологии изготовления пил, способах ^готовки их к'работе-риски от заточки ..'редставляются наибо-

лее опасными дефектами как по ориентации их к главным осям на» Пряденного состояния, так и по расположению.в поле напряжений.

18. Коэффициенты интенсивности напряжений трещин начальной длины при эксплуатационных нагрузках малы по сравнению с критическими коэффициентами интенсивности напряжений. Таким образом, условий нестабильного развития начальных трещин не существует.

Наибольшее влияние на величину коэффициентов интенсивности напряжений в рамных и ленточных пилах оказывают силы натя-пения полотна, в дисковых пилах - амплитуда и форма колебаний.

19. В процессе развития трещин выделяется три стадии: начальная, характеризуемая малыми приращениями за цикл нагруже-ния (10"^...Ю"^мм/цикл), стадия устойчивого роста .,10 им/цикл) и стадия нестабильного развития. Управляемость процессом разрушения возможна на первых двух стадиях.

При начальных трещинах малой длины (^-0,02 мм) в широком диапазоне эксплуатационных нагрузок коэффициенты интенсивности напряжений оказываются меньше пороговых значений. Тем самым обеспечиваются условия нераспространения трещин в усталостном режиме.

20. При соблюдении всех нормативных требований к параметрам и качеству подготовки в летний период работоспособность пил обеспечивается с уровнем безопасности не менее 95%. Установленная нормами шероховатость заточки в летний период для всех типов пил не является необходимой. Безотказность работы пил с вероятностью 95$ обеспечивается при шероховатости 40 мкм.

21. При заточке инструмента крупнозернистым шлифовальным кругом рекомендованная технологическими режимами толщина стачиваемого слоя обеспечивает уровень безопасности рамных пил не более 85^ при периоде стойкости 2,5 ч и не более 78$ при периоде стойко^и 3,5 ч в условиях пиления с подачей на зуб 0,64 ш При больших подачах (¿/г= 1,59 мм) вероятность безотказной работы при периоде стойкости 3,5 ч составляет не более 52%.

22. Обеспечение прочности сечекия полотна в пределах экс-плуатацибнных нагрузок обеспечивает и безопасность наиболее напряженного сечения зуба не с меньшей вероятностью.

23. Уровень безопасности инструмента в условиях пиления мерзлой древесины при параметрах подготовка, установленных по "-фитерлю затупления, не являюоп достатолнымч. Для коздого на-

<5opa технологических параметров необходимо производить расчет параметров подготовки. В целях получения наиболеа точных результатов расчета целесообразно ввести в браковочные характеристики материала показатели вязкости разрушения.

24. Использование предложенных исследований з промышленности обоспочит экономический эффект в объема 2,9 млн.руб. без учзта повышения производительности оборудования.

Основное содержание диссертации опубликовано з следующих работах:

1. Соловьев В.В., Михайлова А.Р., Семенова Л.П. К вопросу исследопа-чия напряженного состояния зубьоз пильных инструментов мзтодон конечных элементов // Изв. вузоз. Лвсн.Журнал.-1977,--Го,-0,87-91.

2. Солозьов В.В., Михайлова А.Р., Семенова Л.П. К вопросу оценки прочности зубьев пильных инструментов // Изв.- вузов. ЯеснДурн.-1978.-Гй.-С.90-93.

3. Соловьев В.В., Михайлова А.Р., Семенова Л.П. Влияние вида■нагрузки на напряженное состояние зубьев рамных пил //Изв. вузоз. Л вен .JKypiL* 1979. -Гб. -С Л17- Г 9.

4. Соловьев З.В., Михайлова А.Р., Семенова Л.П. К вопросу исследования процесса разрушения ралдаых пил // Мэжвуз.сб.науч. тр./Ленинградская лесотехн.акад.-1980:Машины и инструменты де-рэвообраб.производств.-С.23-25.

5. Соловьев В.В., Михайлова А.Р. О распространении трещин

■з рамкых пилах //Межвуз. сб.науч.тр./Ленинградская лосотехн.акад. -1991.-Машины и инструменты дер'звообраб.производств.-С.11-15.

6. Соловьев В.В., Микловцик Н.Ю., Исследование устойчивости узких ленточных пил //Межвуз.сб.науч.тр./Ленинградская лесо-техн. акад.-1981,-Машины и инструменты деревообрабат.производств. -С,39-41.

7. Соловьев В.В., Михайлова А.Р. Расчет на прочность дереворежущих пильных инструментов на стадии разрушения //'Изв.вузов. Чесн .Журн. -1983-1,'6. -С. 62-67,

8. Соловьев В.В., Моргачев A.M. 0 распределении давлений ю граням резца //Можвуз.сб.науч.тр./Ленинградская 'лесотвхн. «сад.-1983.-Станки и инструменты деревообраб.производгтв.-3.I0I-I05.

9. Соловьев' В.В., Моргачев A.M., М; хайлова А.Р. Сравнение работоспособности рамных пил из сталей 9ХФ, 9XiM //Деревообраб.

Цр.ом-сть.-1983.-Г-3.-С.З-5. '

10. Соловьев В.В.,- Ыоргачев A.M., Микловцик Н.Ю. Напряженное состояние рамных пил при различных способах вальцевания// Деревообраб.пром-сть.-1983.-№11.-С.6-8.

. II. 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. -№,-С.З-4.

12. Соловьев В.В., Бачин 0.И.,Моргачев A.M. Влияние межзубовых впадин на напряженное состояние круглых пил для'поперечной распиловки бревен//Мзжвуэ.сб.научн.тр./Ленинградская лесо-техн. акад.-1985.-Станки и инструменты деревообраб.производств. -С.23-25.

13. Соловьев В.В.,Бачин 0.И..Микловцик Н.Ю. О напряженном состоянии круглых пил, возникающем в результате торцевого биения //Межвуз.сб.науч.тр./Ленинградская лесотех.акад.-1985.-Станки и инструменты деревообрабатыв.производств.-С.25-28.

14. Соловьев В.В.,Поромов В.Н. Определение вязкости древесины при плоском сдвиге/Д1ежвуз.сб.научн.тр./Ленинградская лесо^ техн.акад.-1985.-Станки и инструменты деревообрабатывающих производств . -С . 126- 128 .

15. Стахиев Ю.М., Бачин О.И., Соловьев В.В. Об оценке работоспособности круглых пил большого диаметра//В кн.¡Комплексное

и рациональное использование лесных ресурсов. Тез.докл.Всесоюзн. научн.кокф.-Минск:Белорусский технологический институт.1985.-C.I76.

16. Соловьев В.В..Моргачев A.M.,Михайлова А.Р. Влияние наплавки стеллита на прочность рамных пил//Изв.вузов.Лесн.>дурн. -1986.-С.59-62.

17. Стахиев Ю.М., Соловьев В.В..Макаров В.В..БачинО.И. Об изгибных колебаниях плоских круглых пил для поперечной распиловки бревен//Изв>вузовДесн.Журн.-1236,-D3,-С.119-122. .

18. Соловьев В.В..Стахиев Ю.М.,БачинО.И. О напряженном состоянии плоских круглых.пил при изгибных колебаниях //Изв.вузов. Лесн.Нурн.-1987..-С.66-70.'

19. Соловьев В.В..Семенова Л.П..Оценка влияния величины монтажного натяжения ленточных пил на их работоспособность // Межвуз.сб.научн.тр./Ленинградская лесотехн.акад.-1987.-Станки и инструменты деревообраб.произ-ств. С.53-56.

20. Соловьев В.В..Моргачов A.M. .Михайлова А.Р. .Семенова Л.П. О работоспособности рамных пил из опытных марок сталей// Доровообраб.пром-сть.-I988.-K5II,-С.3-4.

21. Санов В.И.,Варакин M.D..Соловьев В.В. Ториоустойчи-йость ленточных пил в зависимости от различных факторов//Изв. вузов.Лесн.Нурн.-1983.-IM.-С.66-70.

22. Соловьев В.В..Микловцик H.D.,Бачин О.И. К вопросу о скорости роста трещин в пилах для'поперечной распиловки бревен //Мачвуз.сб.научн.тр./Ленинградская лесотехн.акад.-1989.-Стан-

и инструменты деревообраб.произ-ств.-С.19-21.

23. Соловьев В.В..Моргачев A.M..Микловцик Н.Ю. .БачинО.Щ Вяиязшэ некоторых факторов на поперечные колебания круглых пил для поперечной распиловки бревен/А5&7.вуэ.сб.научи.тр./Ленинградская лесотехн.акад.-1989.-Станки и инструменты дерзвообрабат. производств.-С.38-41.

24. Соловьев В.В..Михайлова А.Р..Семенова Л.П. К вопросу подработки норм расхода рамных пил//В кн.:Актуальные проблемы коютлексного использования лесных ресурсов на Европейском севера. Архангельск: Труды АЛТИ, 1989.-С.100-103.

25. Соловьев В.В..Микловцик H.D. .Сенькевич Л.В. 0 влиянии качества подготовки пил на их надежность//В кн.:Прогрессивные методы изготовления и подготовки дереворежущего инструмента. Тез.докл.научн.конф.-Ивано-Франковск: 1990.-С.15.

26. Соловьев В.В.,Еачин О.И..Мор/ачев A.M. Оценка работоспособности круглых пил для поперечной распиловки бревен//Дорэ-вообраб.пром-сть.-ГЭЭО.-Ув.-С. 0-11.

27. Сенькевич Л.В..Соловьев В.В..Моргачев A.M. Определенно пороговых коэффициентов интенсивности напряжений сталей, предназначенных для изготовления дереворежущих пил//Изв.вузов.Лесн. Яурн.-1991.-'Я.-С.57-59.

28. Сенькевич Л.В..Соловьев В.В..Моргачев A.M. О влиянии деформаций вала на напряженное состояние пил//Межвуз.сб.научн. тр./Ленинградская лесотехн.акад.-1990.-Станки и инструменты де-ревообраб. производств.-С.39-41.

29. Соловьев В.В. Оценка надежности рамных пил//Изв.вузов. Лесн .%рн. - "991. -J33. -С. G3-67.

30. Солозьев В.В..Михайлова А.Р. К вопросу о прочности рамных пил //Изв.вузов. Лесн.Курн.-1982.-!$!.-С.77-80.

31. Соловьев 3.В...Мелехов З.П. .Моргачев A.M. .Бачин О.И. Способ изготовления пил. Л.С."\'2010'/2. Б.Л.-Г48.-1985.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах с заверенными подписями просим направлять по адресу: I94QI8, Санкт-Петербург, Институтский пер., 5. Лесотехническая академия, Ученый Совет,

Сдано в произв. 10.II.91. Подписано в почать 10,11.91, Форшт 60x84/16. Бумага типографская. Усл.печ, 2,25, Уч.-изд.л, 2,0, Заказ №86. Тираж 100 ркз. Бесплатно.

Отпечатано на' ротапринте ДНИ. Архангельск, 7, набережная им.В.И.Ленина, 17