автореферат диссертации по технологии, машинам и оборудованию лесозаготовок, лесного хозяйства, деревопереработки и химической переработки биомассы дерева, 05.21.05, диссертация на тему:Повышение рабочей жесткости круглых пил электромагнитными направляющими

На правах рукописи

КУЗНЕЦОВ Евгений Юрьевич

ПОВЫШЕНИЕ РАБОЧЕЙ ЖЕСТКОСТИ КРУГЛЫХ ПИЛ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫМИ НАПРАВЛЯЮЩИМИ

05.21.05 - Древесиноведение, технология и оборудование деревопереработки

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 8 НОЯ 2013

""5541555

Архангельск - 2013

005541555

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Поволжский государственный технологический университет»

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Торопов Александр Степанович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Прокофьев Геннадий Федорович (ФГАОУ ВПО «Северный (Арктический) федеральный университет им. М.В. Ломоносова»)

кандидат технических наук, доцент Шейнов Анатолий Иванович (ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный лесотехнический университет им. С.М. Кирова»)

Ведущая организация: ООО Производственно-коммерческая

фирма «Махагони», г. Йошкар-Ола

Защита состоится 18 декабря 2013 г. в 9 часов на заседании диссертационного совета Д 212.008.01 при Северном (Арктическом) федеральном университете (163002, г. Архангельск, наб. Северной Двины, 17, ауд. 1220).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке С(А)ФУ. Автореферат разослан 11 ноября 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук, доцент

Земцовский А.Е.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

Круглопильные станки нашли широкое применение в лесопилении при распиловке лесоматериалов на пиломатериалы. Однако они имеют недостаток - трудность создания требуемой устойчивости пилы в пропиле. При недостаточной рабочей жесткости в процессе пиления древесины круглая пила отклонятся в пропиле под действием боковых сил. Это приводит к низкой точности пиления, браку, повышению энергопотребления, снижению производительности и полезного выхода пиломатериалов.

В целях повышения изгибной жёсткости используют направляющие. Но применение существующих направляющих не позволяет достичь необходимой точности пиления, приводит к износу пилы и направляющей. Поэтому работа, направленная на поиск путей повышения рабочей жёсткости круглых пил путём изменения узла механизма резания, является актуальной.

Цель и задачи исследований

Цель работы - повышение рабочей жёсткости круглых пил путём оснащения круглопильных станков электромагнитными направляющими с научным обоснованием их параметров.

Для достижения поставленной цели определены следующие задачи:

1) разработать новую конструкцию отжимной электромагнитной направляющей круглой пилы;

2) выполнить теоретические исследования отклонений круглых пил с электромагнитными направляющими при действии на пилу усилий резания, температурного перепада и центробежных сил инерции;

3) выполнить теоретические и экспериментальные исследования взаимовлияния параметров электромагнита и величины усилия притяжения полотна пилы;

4) разработать экспериментальную установку и провести экспериментальные исследования процесса пиления древесины круглыми пилами с применением электромагнитных направляющих.

Методы исследований

1. При выборе направления исследования и расчета сил резания применялись методы теории резания древесины.

2. Теоретические исследования отклонений круглых выполнялись с использованием программного комплекса Mathcad 14.0.

3. Теоретические исследования взаимовлияния параметров электромагнита и величины усилия притяжения полотна пилы производились с использованием программной среды Maxwell 14.0.

4. Обработка экспериментальных данных осуществлялась с использованием программного пакета для статистического анализа данных Statistica 6.0, программного комплекса Table Curve 2D, программы для статистической обработки и построения графиков Statgraphics Centurion, программы для анализа и визуализации научных и статистических данных SigmaPlot 12.0.

На защиту выносятся:

1) разработка новой конструкции электромагнитной направляющей для круглых пил и научное обоснование её параметров;

2) результаты теоретических исследований отклонений круглых пил с электромагнитными направляющими при действии на пилу усилий резания, температурного перепада и центробежных сил инерции;

3) результаты теоретических и экспериментальных исследований взаимовлияния параметров электромагнита и величины усилия притяжения полотна пилы;

4) результаты экспериментальных исследований процесса пиления древесины круглыми пилами на экспериментальной установке с электромагнитной направляющей.

Научная новизна работы

1. Предложены новые конструкции электромагнитных направляющих, дано научное обоснование их параметров.

2. Разработаны математические модели отклонений круглых пил с применением электромагнитных направляющих при действии на пилу усилий резания, температурного перепада и центробежных сил инерции.

3. Научно доказана возможность снижения отклонений круглых пил на круглопильных станках с электромагнитными направляющими.

4. Разработана экспериментальная установка и проведены экспериментальные исследования процесса пиления древесины круглыми пилами с применением электромагнитной направляющей.

Обоснованность и достоверность результатов исследований подтверждается:

1) аргументированностью принятых допущений в теоретических исследованиях;

2) использованием современных методов фундаментальной науки при теоретических исследованиях;

3) выполнением значительного объёма экспериментальных исследований;

4) сходимостью результатов теоретических и экспериментальных исследований.

Практическая значимость работы

1. Разработанные конструкции электромагнитных направляющих (патенты № 2397861, № 2400352, № 94898) для круглых и ленточных пил могут быть применены при модернизации лесопильных станков.

2. Математические модели отклонений круглых пил могут быть использованы при определении параметров электромагнитных направляющих в конструкциях круглопильных станков.

3. Результаты теоретических и экспериментальных исследований представляют практический интерес при создании лесопильного оборудования нового типа и модернизации уже существующего.

4. Разработанные и запатентованные новые устройства электромагнитных направляющих позволяют повысить рабочую жесткость круглых пил и тем самым повысить качество и точность получаемых пиломатериалов, увеличить выход готовой продукции и производительность лесопильного оборудования, снизить его энергопотребление.

5. Результаты исследований внедрены в учебный процесс кафедры деревообрабатывающих производств ПГТУ.

Апробация работы

Основные положения диссертации и материалы исследований докладывались на научно-технических конференциях ПГТУ (г. Йошкар-Ола, 2009-2013 гг.), международных научно-технических конференциях: «Актуальные проблемы лесного комплекса» (г. Брянск, 2009 г.), «Проблемы развития энергетической и транспортной инфраструктур в условиях освоения Европейского Севера и Арктического региона на ближайшую перспективу» (г. Архангельск, 2012), «Актуальные проблемы и перспективы развития лесопромышленного комплекса» (г. Кострома, 2012).

Публикации

Основное содержание диссертации изложено в 12 печатных работах, в том числе в пяти изданиях из списка ВАК, получены два патента на изобретение, один патент на полезную модель.

Структура и объем работы

Диссертация содержит введение, 4 раздела, выводы и рекомендации, библиографический список и приложения. Объем работы: основного текста - 85 е., иллюстраций - 47, таблиц - 18, список литературы - 61 наименование, из них 28 на иностранных языках, 3 приложения (29 е.).

На всех этапах работы в качестве научного консультанта принимал участие кандидат технических наук, доцент Е. С. Шарапов.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении показаны актуальность темы диссертационной работы, цель и задачи исследований, научная новизна, практическая значимость и основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе проведен обзор и анализ работ, посвященных исследованию точности пиления древесины на круглопильных станках и путей её повышения.

Исследователями установлено, что точность пиления древесины зависит от сил, действующих на пилу в процессе пиления (составляющих силы сопротивления резанию Р и 0, и способности пилы противодействовать этим силам (жесткостиу и устойчивости Р ) .

Проф. Г. Ф. Прокофьевым на основании экспериментальных исследований была получена формула для расчёта рабочей жёсткости ленточной пилы:

где/„— начальная жёсткость пилы, Н/м;

Р - горизонтальная сила сопротивления резанию, Н; Ркр - критическая сила, максимальная горизонтальная сила, при достижении которой пила теряет устойчивость, Н.

Из формулы (1) путём преобразований получено условие точного пиления на лесопильных станках:

где у - максимальное отклонение кромки пилы при пилении;

[у] — допустимое отклонение зубчатой кромки пилы при пилении;

Q - боковая сила резания, Н.

В работах шведского учёного В. ТЬипеИ отмечается, что взаимосвязь скорости подачи и точности распиловки в принципе одинакова, независимо от типа станка (будь то лесопильная рама, ленточнопильный или круглопильный станок), параметров пил, породы древесины и так далее, но, естественно, что абсолютные значения будут различны.

Исследования точности пиления древесины круглыми пилами, выполненные Л. А. Ковалёвым, показали, что условие точного пиления

(1)

2 -ы,

(2)

круглыми пилами может быть представлено выражением (2) и изменение рабочей жесткости пилы от горизонтальной силы резания Р имеет такой же характер, что у рамных и ленточных пил. Однако полученные результаты оказались заниженными по сравнению с экспериментальными вследствие отсутствия надёжного аналитического метода расчёта боковых сил. Поэтому при оценке точности пиления круглыми пилами недостаточно учитывать влияние только боковых сил резания.

Рядом исследователей установлено, что существенное влияние на точность пиления древесины круглыми пилами оказывают температурный перепад, центробежные силы инерции, развод зубьев пилы, подача на зуб, коэффициент заполнения впадины зубьев. Исследованию влияния температурного перепада и центробежных сил инерции посвящены работы Ю. М. Стахиева, G. S. Shajer, С. D. Mote, S. G. Hutton, Wang Shu-fan. Влияние развода зубьев пилы на точность пиления древесины изучали R. Szumani, С. D. Mote, В. F. Lehmann, W. М. Williston, W. М. McKenzie, Udipi Suresha. Влияние подачи на зуб и коэффициента заполнения впадин зубьев исследовали Reineke и Lunstrum.

Из выражения (2) следует, что боковые силы оказывают существенное влияние на точность пиления древесины. Величина боковых сил зависит от точности установки, движения пил, подготовки их к работе и точности подачи распиливаемого материала.

В целях повышения рабочей жёсткости круглых пил применяют пилы различных конструкций: квадратные, с прорезями и впаянными в них пластинками из твёрдых сплавов, с базирующими выступами, «спиральные». Одним из эффективных способов повышения рабочей жёсткости - создание в диске температурных компенсаторов, роль которых играют прорези различного рода: радиальные, кольцевые, сложной формы.

Весьма перспективным методом повышения точности пиления является снижение температурного перепада путём покрытия диска пилы антифрикционным полимерным материалом.

Однако наиболее эффективным методом повышения рабочей жёсткости круглых пил является использование направляющих.

На рис. 1, а показаны щелевые направляющие, выполненные в виде брусков из антифрикционных материалов, установленных с двух сторон пилы с зазором. Такие направляющие получили широкое применение, они повышают изгибную жёсткость, точность движения пилы, однако они не увеличивают устойчивость.

Рациональнее использование роликовых направляющих (рис. 1, б). Такие направляющие повышают точность пиления, но вследствие нали-

чия трения и значительных напряжений пилы от изгиба, приводили к ускоренному износу пилы и направляющих роликов.

Eï[J3- СЗЕЗ

Я*

F от

F от

а б в г

Рис. 1. Направляющие круглых пил: а - щелевые; б - роликовые; в - аэростатические; г - магнитные

Наиболее эффективны аэростатические направляющие (рис.1, в), где повышение устойчивости пилы осуществляется за счёт водовоздушной смеси, подаваемой под давлением через специальные отверстия. Влияние аэростатических направляющих на устойчивость круглых пил было изучено Aiken Etal, Schajer G.S., McGriff. Такие направляющие повышают их устойчивость, снижают износ и температурные напряжения, но имеют более сложную конструкцию.

Одним из возможных путей повышения точности пиления является использование электромагнитного поля, которое своим действием обеспечит стабилизацию полотна круглой пилы за счёт повышения её жесткости и устойчивости и создаст магнитострикционный эффект, способствующий увеличению износостойкости полотна пилы.

Известны направляющие, рабочие поверхности которых выполнены в виде постоянных магнитов (рис.1, г), обращённых к пиле, обладающей свойствами постоянного магнита. Однако эти направляющие не получили применения в промышленности вследствие сложности изготовления, обслуживания и высокой стоимости таких пил.

Имеются предложения выполнить рабочие поверхности отжимных направляющих в виде электромагнитов, где повышение рабочей жёсткости достигается за счёт усилия притяжения, возникающего в воздушном зазоре между пилой и электромагнитами в зависимости от величины и

направления её отклонения посредством системы автоматического управления.

В результате изучения и анализа имеющихся работ установлено, что для повышения рабочей жесткости круглых пил можно применять электромагнитные направляющие. Однако в настоящее время отсутствуют научно обоснованные рекомендации по выбору конструкции, основных параметров таких направляющих, а также осуществлению проверки эффективности их применения. Отсутствует формула расчёта отклонений круглых пил с электромагнитными направляющими при воздействии на них температурного перепада, центробежных сил инерции.

Во второй главе исследуются отклонения круглых пил с применением электромагнитных направляющих при действии на пилу усилий резания, температурного перепада, центробежных сил инерции.

В этой главе получена формула для расчета отклонений круглых пил при использовании электромагнитных направляющих. Формула (7) учитывает воздействие на пилу усилий резания, температурного перепада, центробежных сил инерции и электромагнитного поля.

Исследованиями отклонений круглых пил при воздействии усилий резания, температурного перепада, центробежных сил инерции в нашей стране занимались Ю.М. Стахиев, Г.Ф. Прокофьев, C.B. Ершов и за рубежом S.G. Hutton, G.S. Shager, Longxiang Yang.

Круглую пилу считаем круглой тонкой пластиной постоянной толщины (диском), закрепленной на валу фланцами.

В работе канадского ученого Hutton представлена формула для расчёта отклонений круглой пилы под действием температурного перепада и центробежных сил инерции:

W = [Стп cos(пф)+ Smn sm(»fi)K„ (0 (3)

т,п = 0,1,2,3,...,

где функции времени диска;

т,п — число узловых окружностей и диаметров диска;

Rmn(.r) — радиальная собственная функция диска.

Боковая сила резания определятся из уравнения, Н:

ß=«. (4)

Боковая сила от центробежных и температурных напряжений, Н:

Рек = KW.

(5)

Суммарная боковая сила, Н:

Р=Я+РСк-

(6)

А«* 4 П г,Я

А-А

в,.

і

а

б

Рис. 2. Система сил, приложенных к диску (а), и конструкция электромагнита (б): Рг, Р,, <2 - радиальная, касательная, боковая сила резания; Рек - боковая сила от температурных и центробежных напряжений; Рпр - усилие притяжения;

суммарная боковая сила; а, Ъ - внешний радиус диска и фланцев; И - толщина диска; г ,9, г- система координат, связанная с телом; Я, 2 - пространственная система координат; ф = в + СМ ; С - время; О - угловая скорость; и'тах- максимальное отклонение пилы; $ - угол между продольной осью станка и радиальной силой резания; К- сопротивление раскалыванию древесины

Максимальное отклонение пилы при действии усилий резания, температурного перепада, центробежных сил инерции определяется по формуле

Усилие притяжения пилы компенсирует действие боковых сил, следовательно, оно должно быть равно по величине и противоположно по направлению боковым силам. Компенсация боковой силы резания Q приведёт к остановке процесса пиления, поэтому в уравнении (6) будут компенсироваться боковые силы РСк-

Максимальное отклонение пилы, в случае применения электромагнитных направляющих, предлагается определять по формуле

Г™ =- «_+ Ц/-

1Па\ ' ^ -г г г

Вск Б

-'"I ^ ркр

где ¡маг - жёсткость пилы при воздействии на неё электромагнитного поля, Н/м; ]н - начальная жёсткость круглой пилы, Н/м [см. формулу (8)]; Рг -радиальная сила резания, Н; Р'р - критическая радиальная сила резания, при достижении которой пила теряет устойчивость, Н [см. формулу (9)]; Вск - величина индукции электромагнитного поля, Тл [см. формулу (10)]. Начальная жёсткость круглой пилы определяется из уравнения

где Е - модуль Юнга, Па; // - коэффициент Пуассона; а - внешний радиус диска, м; И - толщина диска, м; /(с) - безразмерная функция.

Критическая радиальная силы резания для невращающегося диска без начальных напряжений определяется по формуле

ркр= лЕЯ /(с,Х,Р, /Рг) (9)

г 12(1 -иг) '

где £> - диаметр пилы, м; с1ф - диаметр зажимных фланцев, м; Р, /Рг -отношение касательной и радиальной силы резания, Н; /(с,Л,Р,/Р)-безразмерная функция.

В исследовании принято, что величина усилия притяжения Рпр принимается равной величине боковых сил Рск.

В этом случае индукция электромагнитного поля, Тл:

рск -2Моп„ (10)

51

Сила тока в обмотке электромагнита, А:

, I , 2л

/ = Вск ^ ^--1, (П)

N

где магнитная проницаемость магнитопровода, воздуха, пи-

лы, Гн/м; /, /„ - длина магнитопровода и полотна пилы, находящегося в

электромагнитном поле, м (рис. 2, б); х - величина воздушного зазора, м; 5 - площадь поперечного сечения магнитопровода, м2; пп - количество полюсов электромагнита; N - число витков в обмотке электромагнита.

Решение уравнений (3)-(11) осуществлялось в программе МаЛСА014.

Результаты теоретических исследований представлены в виде поверхностей отклика максимального отклонения пилы относительно высоты пропила Н и толщины пилы 5 (рис. 3) без электромагнитной направляющей 1 и с электромагнитной направляющей 2. Поверхности отклика построены с помощью программы SigraaPlot 12.0. На рис. 4 представлен график зависимости силы тока [см. формулу (11)] от величины отклонения пилы.

Рис. 3. Поверхности отклика максимального отклонения пилы и>тах относительно высоты пропила Я и толщины пилы £ без направляющей 1 и с направляющей 2

Рис. 4. Зависимость силы тока в обмотке электромагнита от отклонения пилы

В результате исследований выявлено, что отклонение пилы возрастает с увеличением высоты пропила и уменьшается с увеличением толщины пилы. Применение электромагнитной направляющей позволяет снизить отклонение пилы в среднем на 26%. Установлено, что для снижения отклонений пилы м>тах в диапазоне от 0,1 мм до 0,25 мм на обмотку электромагнита необходимо подать силу тока от 0,1 А до 2 А.

В третьей главе выполнены теоретические и экспериментальные исследования взаимовлияния параметров электромагнита и величины усилия притяжения полотна пилы для выбора параметров электромагнита, который будет применяться в конструкции экспериментальной установки для исследования процесса пиления древесины круглыми пилами с применением электромагнитной направляющей.

Математическая модель взаимовлияния параметров электромагнита и величины отклонения пилы включает расчет следующих параметров: 1) индукция электромагнитного поля, Тл:

/■IV

в = 7-—-л; (12)

2) усилие притяжения, Н:

Мп МЛ1 А)

B2S

03)

2Мопп

Расчёт взаимовлияния параметров электромагнита и величины усилия притяжения полотна пилы выполнен по математической модели (12), (13) и в программе Maxwell 14.0. По результатам моделирования построена зонная картина поля распределения магнитной индукции в соответствующих областях электромагнита и пилы (рис. 5; 2, б).

Рис. 5. Зонная картина распределения магнитной индукции: 1 - полотно пилы; 2 - сердечник электромагнита; 3 - обмотка

BCteslaJ

штя 3.547ІЄ-00 йИ! 3. 3259е-( РРр*? 3. 10Ч7е-{ ШШ 2. 8836Є-00 : ' ; 2. 662Че-< 2. Ч412«-1 2. 220ІЄ-1 1.9989е-00 1. 7777е-( 1.5566е-( 1. 335ЧЄ-Є 1.11Н2Є-С 8.9305е-002 6.7189Є-002 4.5072Є-002 2.2955е-002 8.3777е-00Ч

Результаты исследований показывают, что эффективность работы электромагнита главным образом зависит от величины воздушного зазора и силы тока в обмотке электромагнита. В целом результаты математического и компьютерного моделирования согласуются друг с другом. Выявлено, что усилие притяжения возрастает при уменьшении величины воздушного зазора и увеличении силы тока. Величина расхождений между результатами компьютерного и математического моделирования составляет от 12% до 28%. Расхождения можно объяснить использованием иных математических зависимостей для описания электромагнитных процессов в программе Maxwell 14.0.

Определены характеристики электромагнитной направляющей: величина воздушного зазора между электромагнитом и пилой х = 0,006...0,009 м, сила тока в обмотке электромагнита I = 0,1...5,1 А, усилие притяжения полотна пилы F„p = 0... 150 H.

С целью проверки результатов теоретических исследований проведены исследования взаимовлияния параметров электромагнита и величины усилия притяжения полотна круглой пилы на экспериментальной установке (рис. 6).

Рис. 6. Общий вид экспериментальной установки для исследования взаимовлияния параметров электромагнита и величины усилия притяжения

полотна круглой пилы: 1 - грузоподъёмный электромагнит ДКМ-020; 2 - круглая пила (0=0,45 м, б=0,0028 м); 3 - автотрансформатор ЛАТР-1М; 4 - цифровой мультиметр для измерения величины силы тока в обмотке электромагнита иТ-106; 5 - винтовая передача; 6 - каретка; 7 - цифровой динамометр ОСБ-ЗООК-І (диапазон измерения 20-3000 Н, точность измерения 1Н)

В результате исследований получена регрессионная зависимость усилия притяжения полотна пилы от величины воздушного зазора х и силы тока в обмотке электромагнита 1. Р„ррег = 114,4 + 33,54 (I - 3,6) -

- 4581 (х - 0,0076) - 1412,5 (/ - 3,6)(х - 0,0076).

Графические отображения взаимодействий исследуемых параметров

— усилий притяжения полотна пилы в зависимости от величины зазора х и силы тока I — для разработанной математической модели и уравнения регрессии Гпр.реа представлены на рис. 7, 8.

1,А

Рис.7. Зависимость усилия притяжения полотна круглой пилы от величины силы тока (х = 0,006 м)

\

......- -- ¡=а - —\ ___

вЧ'

К

"п

--,-,-■-

0.006 0.0065 0.007 0.0075 0.008 0.0085 0.009 х,м

Рис. 8. Зависимость усилия притяжения полотна круглой пилы от зазора (/ = 5,1 А)

Экспериментальные исследования взаимодействия параметров электромагнита с величиной усилия притяжения полотна круглой пилы подтвердили справедливость допущений, принятых при теоре-

тических исследованиях. Сравнение результатов теоретических и экспериментальных исследований показало, что расхождения между результатами теоретических и экспериментальных исследований составляют не более 5%.

В четвертой главе выполнены экспериментальные исследования процесса пиления древесины круглыми пилами с применением электромагнитной направляющей.

Экспериментальные исследования выполнялись на экспериментальной установке, установленной в лаборатории кафедры деревообрабатывающих производств ПГТУ. Основу экспериментальной установки составлял круглопильный станок СУБД производства ОАО «ММЗ» (г. Йошкар-Ола).

Экспериментальная установка для исследования процесса пиления древесины круглыми пилами с применением электромагнитной направляющей и её структурная схема представлены на рис. 9, а.

Экспериментальная установка включает: 1 - автоподатчик JET М12-235IMG (и =1... 12 м/мин); 2 — электромагнит ДКМ-020; 3 - плоская круглая пила, D = 0,56; 4 — индуктивный датчик положения круглой пилы HflA28-U-PNP; 5 - индуктивный датчик скорости вращения круглой пилы HflA28-U-PNP; 6 - трехфазный асинхронный электродвигатель FFD WIEN (и = 1450 об./мин., Р = 3 кВт); 7 - направляющая линейка; 8 - блок управления электромагнитной направляющей; 9 - устройство для измерения мощности ЦП8506-120; 10 - устройство сбора данных El 4-140-М; 11 - ЭВМ.

Рис. 9. Экспериментальная установка для исследования процесса пиления древесины круглыми пилами с применением электромагнитной направляющей (а) и её структурная схема (б)

С помощью программы Statgraphics Centurion построены уравнения регрессий исследуемых параметров (табл. 1).

Таблица 1

Результаты статистической обработки данных эксперимента

Параметр Уравнение регрессии

Отклонение пилы, м w = -0.95+ 0.019*Я + 0.57*5 + 0.1 *U- 0.00026*ЯЛ2 - - 0.00074*Я*5 + 0.00015*Я*U- 0.1*sA2 - 0 025*5* С/- - 0.0062* UA2

Отклонение пилы с направляющей, м w = 0.28- 0.009*Я - 0.067*5 + 0.056* U + + 0.00014*#А2 + 0.00067*Я*5- - 0.00086*H*U-- 0.0026*sA2 + 0.0051*5*U- 0.0066*С/л2

Работа резания, Дж А = -507- 2.38*// + 429.5*5 - 15.5*t/+ 0.03*ЯЛ2 + + 0.82*#*у - 0.19*H*U-83.3*jA2 + 0 46*s*U + + 2.85*UA2

Работа резания с направляющей, Дж А = -364- 2.8*Я+ 250*5 + 50*U+ 0.03*ЯЛ2 + + 0.9*Я*5 - 0.16*H*U-44.4*5Л2 - 8.24*5*U-4.3*С/Л2

Результаты экспериментов были обработаны с помощью программы 6.0. В программе SigmaPlot 12.0 построены поверхности отклика отклонения пилы, представленные её СКО, и работы резания относительно высоты пропила Н и толщины пилы 5 без направляющей 1 и с направляющей 2 (рис. 10, 11).

Рис. 10. Поверхности отклика СКО пилы относительно высоты пропила Я и толщины пилы 5 без направляющей / и с направляющей 2

-— 0

КШЗУ 10

шшя 20

та 30

40

швя 60

шш* 60

шят 0

10

■Ш 20

30

40

шш 60

гаа 60

Рис. 11. Поверхности отклика работы резания относительно высоты пропила Я и толщины пилы 5 без направляющей / и с направляющей 2

Экспериментальные исследования показали, что применение электромагнитной направляющей позволило снизить отклонение пилы на 37%, энергопотребление станка - на 17%. Применение электромагнитной направляющей не оказывает влияния на изменение скорости вращения пилы.

Результаты экспериментальных исследований в целом согласуются с результатами теоретических. Однако результаты теоретических исследований оказались заниженными по сравнению с экспериментальными из-за отсутствия учёта влияния математической моделью неуправляемых факторов, прежде всего анизотропии строения древесины.

В дальнейшем для более точной оценки отклонений круглых пил представляется актуальной работа, направленная на разработку математической модели, учитывающей изменение физико-механических свойств древесины по радиусу и длине лесоматериала.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Выполнен обзор и анализ работ в области повышения точности пиления древесины круглыми пилами. Выявлено, что при оценке точности пиления древесины круглыми пилами недостаточно учитывать влияние усилий резания; большое влияние на точность пиления оказывают температурный перепад и центробежные силы инерции. Наиболее эф-

фективным методом повышения рабочей жёсткости круглых пил является применение направляющих.

2. Разработаны новые устройства электромагнитных направляющих (пат. № 2397861, пат. № 94898, пат. № 2400352), экспериментальная установка и блок автоматического управления.

3. Выполнены теоретические исследования и получена математическая модель для определения отклонений круглых пил с электромагнитными направляющими, которая учитывает влияние усилий резания, температурного перепада и центробежных сил инерции на величину отклонения пилы. В результате исследований выполнено обоснование выбора типа и параметров электромагнита для экспериментальных исследований процесса пиления древесины круглыми пилами с применением электромагнитной направляющей.

4. Выполнены теоретические исследования взаимовлияния параметров электромагнита и величины усилия притяжения полотна пилы на математической модели и в программе Maxwell 14.0. Выявлено, что усилие притяжения возрастает при уменьшении величины воздушного зазора и увеличении силы тока. Экспериментальные исследования подтвердили справедливость допущений, принятых при теоретических исследованиях. Расхождения между результатами теоретических и экспериментальных исследований составляют не более 5%.

5. Выполнены экспериментальные исследования процесса пиления древесины круглыми пилами. В результате исследований выявлено, что отклонение пилы возрастает с увеличением высоты пропила и уменьшается с увеличением толщины пилы, работа резания возрастает с увеличением высоты пропила и толщины пилы. Исследования показали, что применение электромагнитной направляющей позволило снизить отклонение пилы на 37%, энергопотребление электродвигателя пилы - на 17%. Применение электромагнитной направляющей не оказывает влияние на изменение скорости вращения пилы.

6. Результаты теоретических исследований оказались заниженными по сравнению с экспериментальными из-за отсутствия в математической модели зависимостей, учитывающих изменение физико-механических свойств древесины по радиусу и длине пиломатериала.

7. Математическая модель точности пиления древесины круглыми пилами с применением электромагнитных направляющих может быть использована для определения параметров электромагнитных направляющих при их проектировании и применении в промышленности.

Основные положения диссертации отражены в следующих публикациях:

в научных изданиях, входящих в перечень ВАК:

1. Кузнецов, Е.Ю. Обоснование параметров системы управления электромагнитной направляющей в круглопильных станках // Вестник МГУЛ — Лесной вестник. -2013. -№3(95). - С. 125-130.

2. Торопов, A.C. Экспериментальные исследования взаимодействия электромагнитной опоры с диском круглой пилы / A.C. Торопов, Е.С. Шарапов, Е.Ю. Кузнецов II Вестник МГУЛ - Лесной вестник. - 2011. - № 5(81). - С. 122124.

3. Торопов, A.C. Обоснование параметров электромагнитной направляющей в круглопильных станках / A.C. Торопов, Е.С. Шарапов, Е.Ю. Кузнецов II Вестник МГУЛ - Лесной вестник. - 2011. - № 3(79). - С. 144-147.

4. Торопов, A.C. Конструкция и принцип действия электромагнитной направляющей круглой пилы / A.C. Торопов, Е.С. Шарапов, Е.Ю. Кузнецов II Вестник института: преступление, наказание, исправление / ВИПЭ ФСИН. — 2010.-№ 11.-С. 64-65.

5. Торопов, A.C. Теоретические исследования точности пиления древесины круглыми пилами с применением электромагнитных направляющих / A.C. Торопов, ЕЮ. Кузнецов II Известия вузов. Лесной журнал. — 2013. - № 3. - С. 86-96.

патентах:

1. Отжимная магнитная направляющая круглой пилы: пат. № 2397861 Российская Федерация МПК В 27 В 13/10 / Шарапов Е.С., Кузнецов Е.Ю.; заявитель и патентообладатель Шарапов Е.С., Кузнецов Е.Ю. - № 2009136759/03; заявл. 05.10.2009; опубл. 27.08.2010.

2. Отжимная электромагнитная направляющая круглой пилы: пат. 94898 Российская Федерация МПК В 27 В 13/10 / Шарапов Е.С., Кузнецов Е.Ю.', заявитель и патентообладатель Шарапов Е.С., Кузнецов Е.Ю. - № 2010107641/22; заявл. 02.03.2010; опубл. 10.06.2010.

3. Отжимная электромагнитная направляющая ленточной пилы: пат. № 2400352 Российская Федерация МПК В 27 В 13/10 / Шарапов Е.С., Кузнецов Е.Ю.\ заявитель и патентообладатель Шарапов Е.С., Кузнецов Е.Ю. -№ 2009115361 /03; заявл. 22.04.2009; опубл. 27.09.2010.

в прочих изданиях-.

1. Кузнецов, Е.Ю. Определение взаимодействий параметров системы управления электромагнитной направляющей с величиной отклонения полотна круглой пилы / Е.Ю. Кузнецов // Сборник научных трудов по итогам международной научно-технической конференции, посвященной 50-летию кафедры механической технологии древесины ФГБОУ ВПО КГТУ «Актуальные проблемы и перспективы развития лесопромышленного комплекса». — Кострома: КГТУ, 2012. — С. 150-153.

2. Торопов, A.C. Повышение точности пиления древесины круглыми пилами с применением электромагнитных направляющих / A.C. Торопов, Е.Ю. Кузнецов И Сборник научных трудов по итогам международной научно-технической конференции «Проблемы развития энергетической и транспортной инфраструктур в условиях освоения Европейского Севера и Арктического региона на ближайшую перспективу». - Архангельск: САФУ, 2012.

3. Шарапов, Е.С. Отжимная электромагнитная направляющая круглой пилы/ Е.С. Шарапов, Е.Ю. Кузнецов II Научному прогрессу творчество молодых: сборник материалов междунар. науч. студ. конф. по естественнонаучным и техническим дисциплинам: в 3 ч. 4.2. - Йошкар-Ола: МарГТУ, 2009. - С. 50-51.

4. Шарапов, Е.С. Отжимная электромагнитная направляющая / Е.С. Шарапов, Е.Ю. Кузнецов II Актуальные проблемы лесного комплекса: сборник науч. трудов по итогам мевдунар. науч.-техн. конф. «Лесной комплекс: состояние и перспективы». Вып. 24. - Брянск: БГИТА, 2009. - 186 с.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах с заверенными подписями просим направить по адресу: 163002, г. Архангельск, наб. Северной Двины, 17, С(А)ФУ, ученому секретарю диссертационного совета Д 212.008.01 Земцовскому А.Е.

Подписано к печати 14.11.2013. Усл. печ. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ № 5236. Редакционно-издательский центр ПГТУ 424006 Йошкар-Ола, ул. Панфилова, 17

ПОВОЛЖСКИМ ГОСУДАРСТВЕНЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ

УНИВЕРСИТЕТ

04201 450924 На правах рукописи

КУЗНЕЦОВ Евгений Юрьевич

I

ПОВЫШЕНИЕ РАБОЧЕЙ ЖЕСТКОСТИ КРУГЛЫХ ПИЛ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫМИ НАПРАВЛЯЮЩИМИ

05.21.05. Древесиноведение, технология и оборудование

деревопереработки

диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

А.С. Торопов

Йошкар-Ола - 2013

СОДЕРЖАНИЕ

Введение.............................................................................................4

1. Состояние вопроса..............................................................................8

I

1.1. Основные сведения о пилении древесины на круглопильных станках .......8

1.2. Точность пиления древесины на круглопильных станках........................12

1.3. Аналитический обзор методов повышения рабочей жёсткости

круглых пил....................................................................................26

1.4. Выводы, цель и задачи исследований...............................................32

2. Теоретические исследования отклонений круглых пил с применением электромагнитных направляющих...........................................................35 1

2.1. Вступительные замечания..............................................................35

2.2.Математическая модель отклонений круглых пил...............................37

I

2.3. Математическая модель отклонений круглых пил с применением ! электромагнитных направляющих.........................................................39

2.4.Результаты теоретических исследований отклонений круглых.................41

2.5. Выводы.....................................................................................43

3. Исследование взаимодействия параметров электромагнитной направляющей с величиной усилия притяжения полотна круглой пилы............46

3.1. Теоретические исследования взаимодействия параметров 1 электромагнитной направляющей с величиной усилия притяжения

полотна круглой пилы....................................................................... .46

3.2. Экспериментальные исследования взаимодействия параметров 1 электромагнитной направляющей с величиной усилия притяжения

полотна круглой пилы........................................................................51

3.3. Выводы.....................................................................................64

4. Экспериментальные исследования процесса пиления древесины

круглыми пилами с применением электромагнитных направляющих.........65

I

4.1. Цели и задачи экспериментальных исследований................................65

4.2. Экспериментальная база...............................................................66

4.3. Методика проведения эксперимента................................................67

4.4. Результаты экспериментальных исследований процесса пиления древесины круглыми пилами...............................................................71

4.5. Выводы....................................................................................75

5. Заключение.....................................................................................76

Список литературы..............................................................................\19

Приложение 1 (Результаты статистической обработки данных экспериментальных исследований взаимодействия параметров электромагнитной направляющей с величиной усилия притяжения

полотна круглой пилы)..........................................................................85

Приложение 2 (Разработка конструкции электромагнитной направляющей).......89

Приложение 3 (Теоретические исследования отклонений круглых пил)...........107

ВВЕДЕНИЕ !

Актуальность темы. Круглопильные станки нашли широкое применение в лесопилении при распиловке лесоматериалов на пиломатериалы. Они имеют недостаток, который относится к трудности создания требуемой устойчивости пилы в пропиле. При недостаточной рабочей жесткости в процессе пиления древесины круглая пила отклонятся в пропиле под действием боковых сил. Это приводит к низкой точности пиления, браку, повышению энергопотребления, снижению производительности и полезного выхода пиломатериалов.

В целях повышения изгибной жёсткости применяют направляющие. Применение существующих направляющих не позволяет достичь необходимой точности пиления, приводит к износу пилы и направляющей.

Поэтому работа, направленная на повышение точности пиления круг-лопильных станков для продольного раскроя лесоматериалов путём изменения узла механизма резания является актуальной.

Цель и задачи исследований. Цель работы - повышение рабочей жёсткости круглых пил путём оснащения круглопильных станков электромагнитными направляющими с научным обоснованием их параметров.

I

Для достижения поставленной цели определены следующие задачи:

1 .Разработать новую конструкцию отжимной электромагнитной направляющей круглой пилы;

2.Выполнить теоретические исследования отклонений круглых пил с электромагнитными направляющими при действии на пилу усилий резания, температурного перепада и центробежных сил инерции;

3.Выполнить теоретические и экспериментальные исследования взаимодействия параметров электромагнита с величиной усилия притяжения полотна пилы; ,

I

4.Разработать экспериментальную установку и провести экспериментальные исследования процесса пиления древесины круглыми пилами с применением электромагнитных направляющих.

Методы исследований:

1 .При выборе направления исследования и расчета сил резания применялись методы теории резания древесины. j

2.Теоретические исследования отклонений круглых выполнялись с использованием программного комплекса Mathcad 14.0.

3.Теоретические исследования взаимодействия параметров электромагнита с величиной усилия притяжения полотна пилы производились с использованием программной среды Maxwell 14.0.

4.Обработка экспериментальных данных проводилась с использованием программного пакета для статистического анализа данных Statistica 6.0, программного комплекса Table Curve 2D, программа для статистической обработки и построения графиков Statgraphics Centurion, программы для анализа и визуализации научных и статистических данных SigmaPlot 12.0.

На защиту выносятся следующие научные положения:

1 .Разработка новой конструкции электромагнитной направляющей для круглых пил и научное обоснование её параметров;

2.Результаты теоретических исследований отклонений круглых пил с электромагнитными направляющими, при действии на пилу усилий резания, температурного перепада и центробежных сил инерции;

3.Результаты теоретических и экспериментальных исследований взаимодействия параметров электромагнита с величиной усилия притяжения полотна пилы;

4.Результаты экспериментальных исследований процесса пиления древесины круглыми пилами на экспериментальной установке с электромагнитной направляющей.

Научная новизна результатов исследований:

1.Предложены новые конструкции электромагнитных направляющих, дано научное обоснование их параметров;

2.Разработаны математические модели отклонений круглых пил с применением электромагнитных направляющих, при действии на пилу усилий резания, температурного перепада и центробежных сил инерции;

3.Научно доказана возможность снижения отклонений круглых пил на круглопильных станках с электромагнитными направляющими;

4.Разработана экспериментальная установка и проведены экспериментальные исследования процесса пиления древесины круглыми пилами с применением электромагнитной направляющей.

Обоснованность и достоверность результатов исследований подтверждается:

1 .Аргументированностью принятых допущений в теоретических исследованиях;

2. Использование современных методов фундаментальной науки при теоретических исследованиях;

3.Выполнением значительного объёма экспериментальных исследова-1

ний;

4. Сходимостью результатов теоретических и экспериментальных исследований.

Практическая значимость работы:

1 .Разработанные конструкции электромагнитных направляющих (патент № 2397861, № 2400352, № 94898) для круглых и ленточных пил могут > быть применены при модернизации лесопильных станков;

2.Математические модели отклонений круглых пил, могут быть использованы при определении параметров электромагнитных направляющих Ь конструкциях круглопильных станков;

3.Результаты теоретических и экспериментальных исследований представляют практический интерес при создании лесопильного оборудования нового типа и модернизации уже существующего;

4. Разработанные и запатентованные новые устройства электромагнитных направляющих позволяют повысить рабочую жесткость круглых пил и

тем самым повысить качество и точность получаемых пиломатериалов, выход готовой продукции и производительность лесопильного оборудования, снизить его энергопотребление.

5.Результаты исследований внедрены в учебный процесс кафедры деревообрабатывающих производств ПГТУ. .

Апробация работы. Основные положения диссертации и материалы исследований докладывались на научно-технических конференциях ПГТУ (г. Йошкар-Ола, 2009 - 2013 г), международных научно-технических конференциях: «Актуальные проблемы лесного комплекса» (г. Брянск, 2009 г.), «Проблемы развития энергетической и транспортной инфраструктур в условиях освоения Европейского Севера и Арктического региона на ближайшую перспективу» (г. Архангельск, 2012), «Актуальные проблемы и перспективы развития лесопромышленного комплекса» (г. Кострома, 2012).

Публикации. Основное содержание диссертации изложено в 12 печатных работах, в том числе в пяти изданиях из списка ВАК, получено два патента на изобретение, один на полезную модель.

Структура и объем работы. Диссертация содержит введение, 4 разде-

!

ла, выводы, список литературы и приложения. Объем работы: основного текста - 85 е., иллюстраций - 47, таблиц - 18, список литературы - 61 наименование, из них 28 на иностранных языках, приложений - 3 (29 е.).

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА

1.1 Основные сведения о пилении древесины на ,

I

круглопильных станках

Круглопильные станки нашли широкое применение в лесопилении при распиловке лесоматериалов на пиломатериалы. В качестве режущего инструмента в них используется круглая пила - многорезцовый режущий инструмент в форме диска.

Круглопильные станки можно классифицировать по следующим признакам:

а) по технологическому назначению — для продольного, поперечного, фор-

I

матного распиливания; '

б) по расположению пилы относительно заготовки - с верхним, нижним расположением;

в) по виду резания - с торцовым, продольно-торцовым, продольным, поперечным резанием;

г) по числу пил - однопильные, двухпильные, многопильные;

д) по типу механизма подачи - с ручной, вальцовой, гусеничной подачей, с торцовыми упорами, с подачей тележкой, с подачей кареткой;

I

е) по направлению подачи - со встречной и попутной подачей; 1

ж) по комбинированию с другими пильными узлами - с ленточнопильными и фрезерными узлами.

По принципу продольного пиления различают станки для распиловки лесоматериалов, брусьев, а так же обрезные, прирезные, реечные, ребровые и др.

В лесопильном производстве для первичного раскроя лесоматериалов на пиломатериалы применяются круглопильные станки с пилами большого диаметра (от 500 до 1250 мм). Станки могут быть одновальные (однопильные) или

вдухвальные (двухпильные). У двухвальных моделей один пильный вал находится под распиливаемым лесоматериалом, а другой над ним, при этом пилы расположены в одной плоскости, одна над другой. Такие станки позволяют формировать большую высоту пропила пилами небольшого диаметра.

Скорость главного движения при пилении древесины круглыми пилами! составляет 40-80 м/с, но может достигать и 100 м/с. Движение подачи придаётся заготовке, скорость подачи составляет до 120 м/мин [1].

Круглопильные станки имеют относительно низкую стоимость, высокую производительность, простоту конструкции, обладают большими возможностями для автоматизации [6].

Несмотря на преимущества, круглопильные станки имеют серьезный недостаток, который относится к трудности создания требуемой устойчивости пилы в пропиле. Относительно тонкий диск большого диаметра имеет только одну опору в центре пилы и работает со значительными нагрузками не всегда находящимися в плоскости диска. Нессиметричность формы диска относительно серединной плоскости приводит к его отклонению в древесине сразу же после первичного врезания. При недостаточной изгибной жесткости диска отклонение продолжается вплоть до ассиметричного изгиба круглой пилы по окружности зажимных фланцев и потери им устойчивости [29]. 1

Все это приводит к браку при распиловке и частым остановкам станка.

Установлено что более 50 % технического брака возникает вследствие ,не-

I

допустимых колебаний и недостаточной устойчивости круглых пил. Этими же факторами объясняется, что около 30% пил выходят из строя раньше своего срока. Недостаточная устойчивость пил сдерживает реализацию высокопроизводительных режимов резания с минимальными потерями древесины в опилки [29].

Для повышения изгибной жесткости пилы приходится использовать более толстые диски 4-6 мм, толщина пропила таких пил составляет 6-10 мм, при '

этом количество опилок достигает 12 - 16% от объема распиливаемого сырья [6]. Большая толщина пропила означает высокое энергопотребление, что отрицательно сказывается на экономических показателях предприятия.

В процессе пиления древесины пильный диск находится под воздействием напряжений от центробежных сил инерции, неравномерности нагрева, усилий резания, проковки и вальцевания [29].

Напряжения от центробежных сил инерции находятся в квадратичной зави-

I

симости от скорости вращения. ' 1

Напряжения от неравномерности нагрева возникают в результате температурного перепада между внешним контуром и центром вращающегося диска пилы. Нагрев диска пилы на внешнем контуре связан с наличием сил трения возникающих в процессе взаимодействия пилы с древесиной. В результате температурного перепада диск теряет устойчивость.

Напряжения от усилий резания возникают в процессе пиления древесины вследствие воздействия на внешний контур диска нормальной Рг, касательной Р{ и

боковой () составляющей силы резания (Рисунок 1), а на внутренний - силы давления и крутящего момента.

3 2

5

Рисунок 1. Схема сил резания приложенных к диску круглой пилы в процессе пиления древесины. 1 - зажимные фланцы; 2 - круглая пила; 3 - заготовка; 4 - стол станка.

Скорость резания, м/с [29]: |

I

Юп и= —, 60

где £> - диаметр пилы, м; п - частота вращения пильного вала, об/мин;

Скорость подачи, м/мин:

и =

где иг - подача на зуб, м; 2 - число зубьев, шт.

Аналитические зависимости для определения сил резания представлены в работах С.А.Воскресенского, М.А.Дешевого, Е.Г.Ивановского, В.И.Любче^ко, В.И.Санева, И.К.Кучерова, В.К.Пашкова, Ю.М.Стахиева, Н.К.Якунина. Проф. А.Л. Бершадский определил общие закономерности для всех процессов резания древесины, названные им общим законом резания [11].

Напряжения от проковки и вальцевания возникают в процессе подготовки пильного диска к работе. В результате проковки и вальцевания на внешнем контуре диска пилы создаются напряжения растяжения, а в средней части — напряжения сжатия.

Проф. Стахиев Ю. М. отмечает, что напряжения от проковки и вальцевания, центробежных сил инерции способствуют повышению плоской формы устойчивости диска. Напряжения от сил резания не превышают несколько десятков кгс/см2 и в общем балансе напряжений от неравномерного нагрева и проковки, измеряемых сотнями кгс/см2, могут практически не учитываются [29]. Действие сил сопротивления резанию необходимо учитывать при рассмотрении динамической устойчивости диска пилы.

Поэтому в основе повышения эффективности работы станков с круглыми пилами лежит решение проблемы повышения устойчивости и изгибной жёсткости круглых пил. Повышение устойчивости и изгибной жесткости круглых пил позволит повысить точность пиления, и как следствие, объёмный выход пиломатериалов, производительность круглопильных станков, снизить энергозатраты.

1.2. Точность пиления древесины на круглопильных станках

Точность размеров получаемых пиломатериалов является одним из главных показателей качества пилопродукции.

Повышение точности пиления древесины достигается за счёт снижения скорости подачи, увеличения толщины пилы, создания оптимальных начальных напряжений в диске пилы с помощью проковки и вальцевания. Все эти методы повышения точности пиления приводят к уменьшению производительности станка, выхода пиломатериалов, повышению энергопотребления, повышению трудоёмкости подготовки режущего инструмента.

Следовательно, вскрытие резервов повышения точности пиления является важным направлением повышения эффективности пиления. При оценке точности размеров пиломатериалов следует рассматривать отклонения фактических размеров от номинальных для сухих пиломатериалов и от заданных для сырых пиломатериалов [33]. Заданный размер равен номинальному плюс припуск на усушку.

Точность размеров пиломатериалов зависит от точности настройки станка на размер выпиливаемых пиломатериалов, точности позиционирования пил и точности пиления. Точность позиционирования пил зависит от точности работы механизмов, устанавливающих взаимное положение пилы и распили