автореферат диссертации по технологии, машинам и оборудованию лесозаготовок, лесного хозяйства, деревопереработки и химической переработки биомассы дерева, 05.21.05, диссертация на тему:Совершенствование двушкивных механизмов резания деревообрабатывающих ленточнопильных станков

На правах рукописи

Шилько Владимир Казимирович

!

i

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ДВУШКИВНЫХ МЕХАНИЗМОВ РЕЗАНИЯ ДЕРЕВООБРАБАТЫВАЮЩИХ ЛЕНТОЧНОПИЛЬНЫХ СТАНКОВ

05.21.05 - Древесиноведение, технология и оборудование деревообработки

i

>

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Томск - 2005

Работа выполнена на кафедре машин, оборудования и технологии деревообработки Томского государственного архитектурно-строительного университета

Научный консультант - доктор физико-математических наук Гриняев Юрий Васильевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Кузнецов Виктор Моисеевич доктор технических наук, профессор Прокофьев Геннадий Федорович доктор технических наук, доцент Филиппов Юрий Александрович

Ведущая организация: Уральский государственный лесотехнический университет

Защита диссертации состоится « 28 » октября 2005 г. в 10 часов на заседании диссертационного совета Д 212.253.04 при Сибирском государственном технологическом университете Федерального агентства по образованию Российской Федерации по адресу: 660049, г. Красноярск, пр. Мира 82

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Сибирского государственного технологического университета

Автореферат разослан 5 сентября 2005 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Мелешко А.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В мировой практике деревообработки широкое применение получили двушкивные ленточнопильные станки (ЛПС). Их развитие идет по пути совершенствования шкивов, направляющих и виброгасящих устройств. Для повышения производительности и точности распиловки прибегают к увеличению размеров ленточных пил, что ведет к увеличению диаметров шкивов и общей массы станка. У традиционной двушкивной схемы механизма резания ленточнопильного станка существует две основные проблемы:

1 - недостаточная устойчивость ленточных пил;

2 - недостаточный ресурс пил по усталостной долговечности.

Поскольку традиционная двушкивная схема не может решить обозначенных проблем, поиск путей их решения привел к необходимости разработки схем механизмов резания, в основе которых лежат новые способы сообщения движения ленточной пиле (ЛП).

Анализ ранее выполненных работ и физических процессов, протекающих в механизмах резания ЛПС, показал, что устойчивость и усталостную долговечность ЛП можно повысить за счет новых конструктивных схем механизмов резания ЛПС с передачей движения ЛП на основе длинных контактов трения относительного покоя (ДКТ ОП).

Цель работы - повышение устойчивости и усталостной долговечности ленточных пил при распиловке древесины.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Создать концептуальную теоретическую базу для разработки ленточнопильных станков с повышенной точностью, производительностью распиловки и ресурсом ленточных пил.

2. Разработать теоретические и экспериментальные методы исследования условий сообщения движения ленточной пиле. Установить их взаимосвязь с устойчивостью и несущей способностью ленточных пил.

3. Разработать теоретические и экспериментальные методы оценки устойчивости и несущей способности ленточных пил и способы их повышения.

4. Определить рациональные компоновочные схемы механизмов резания ленточнопильных станков на основе ДКТ ОП с повышенной устойчивостью и несущей способностью ленточных пил.

5. Провести на базе опытных образцов практические исследования, подтверждающие теоретические предпосылки. Провести оценку новых схем механизмов резания ЛПС на основе ДКТ ОП и определить из них наиболее приемлемые для потребностей перевообработки.

РОС НАЦИОНАЛ) н БИБЛИОТЕКА

*■"■ I 1ттл, г

Объектом исследования являются конструкции и рабочие процессы в механизмах резания ленточнопильных станков, ленточные пилы шириной 5-85 мм, выпиливаемые пиломатериалы и получаемые опилки.

Предметом исследования являются параметры движения, устойчивость и несущая способность ленточных пил, производительность распиловки древесины и точность получаемых пиломатериалов.

Методы исследования. Для теоретических исследований использовались: теория резания древесины; теория передач гибкой связью; теория передач трением; теория прочности, упругости и устойчивости; теория машин; физика твердого тела; металлофизика и физическая ме-зомеханика; тензорное исчисление. Для экспериментальных исследований применялись: гибкий экспериментальный модуль на базе циклопо-зиционного горизонтального ЛПС легкого класса с возможностью варьирования конструктивных схем сообщения движения ленточным пилам; экспериментальная установка на базе столярного ЛПС легкого класса; натурные образцы бревнопильных, делительных, тарных и столярных ЛПС; типовые и нестандартные методики исследований; стандартные приборы, оборудование и программы; методы прикладной статистики.

Научная новизна:

1. Разработаны математические модели трибофизических условий сообщения движения ленточной пиле, оценки устойчивости ленточных пил в динамике, прогнозирования ресурса пил по сопротивлению усталости.

2. Установлены трибофизические процессы при сообщении движения в системе «шкив - ленточная пила», их влияние на устойчивость ленточных пил и возникновение двухмерной дисторсии траектории резания.

3. Показаны преимущества многоконтурной передачи «шкив - гибкий рабочий орган - ленточная пила» по сравнению с передачей «шкив -ленточная пила» и предложены аналитические зависимости для определения опорных параметров гибких промежуточных рабочих органов привод-направляющих и направляющих устройств ЛПС.

4. Теоретически обоснованы компоновочные схемы механизмов резания ЛПС с сообщением главного движения ленточной пиле на основе ДКТ ОП и со «слабонатянутой» ленточной пилой.

На защиту выносятся:

- результаты теоретических и экспериментальных исследований, позволяющие установить связь трибофизических процессов в передаче «шкив - ленточная пила» с условиями обеспечения устойчивости ленточных пил при распиловке древесины;

- обоснование условий формирования устойчивых опорных реакций в ленточной пиле возле зоны резания, противодействующих уси-

. '* ;

; „(ЧЫ {

. > $ ..» V* *«"

лию подачи со стороны распиливаемого материала, исключающих поперечные смещения пилы относительно шкивов и повышающих устойчивость ленточных пил;

- результаты определения условий движения и торможения в передачах «шкив - гибкий рабочий орган - ленточная пила», позволяющие снижать уровень напряжений в ленточных пилах и повышать их ресурс по усталостной долговечности.

Достоверность и обоснованность результатов обеспечена применением адекватного математического аппарата и современных методик экспериментальных исследований, сходимостью результатов теоретических и экспериментальных исследований, анализом практических наблюдений за работой ленточнопильных станков с новыми компоновочными схемами механизмов резания.

Практическая значимость работы заключается в том, что:

- разработана теоретическая база для создания ленточнопильных станков на основе ДКТ ОП с повышенной устойчивостью и повышенным ресурсом ленточных пил по усталостной долговечности;

- обоснованы и разработаны новые схемы механизмов резания ленточнопильных станков: полноприводная; на основе ДКТ ОП; со «слабонатянутой» ленточной пилой;

- разработаны привод-направляющие и направляющие устройства ленточно-конвейерного типов и способ регулировки положения ЛП путем разворота таких устройств в сторону распиливаемого материала;

- предложена методика определения эффективности работы различных схем механизмов резания ленточнопильных станков путем сравнения: тяговых характеристик; производительности распиловки по скорости подачи; точности сечений получаемых пиломатериалов;

- по результатам работы разработаны, изготовлены и внедрены в производство более ста циклопозиционных горизонтальных ЛПС;

- результаты исследований использованы в учебном процессе при подготовке инженеров по специальностям 15040565 «Машины и оборудование лесного комплекса» и 25030365 «Технология деревообработки».

Апробация работы. Основные положения диссертации обсуждались на НТК лесотехнического института и семинарах кафедры машин, оборудования и технологии деревообработки ТГАСУ (г. Томск 1999, 2004); на НПС лаборатории композиционных материалов института физики прочности и материаловедения Томского филиала СО РАН (1999, 2004); на X МНТК в Томском политехническом университете (2004); на 8 - ом международном симпозиуме КОЛив -2004 (г. Томск 2004); на II - ой МНТК «Современные проблемы машиностроения»

(г. Томск 2004); на НПС кафедры станков и инструментов Сибирского государственного технологического университета (г. Красноярск 2004), на НПС кафедры станков и инструментов Уральского государственного лесотехнического университета (г. Екатеринбург 2005).

Публикации. По теме диссертации опубликована 31 работа, включая 7 патентов Российской Федерации и монографию. Из них 14 работ опубликовано в изданиях, рекомендуемых ВАК для докторских диссертаций.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, выводов и результатов, списка литературы из 232 наименований, 3 приложений, имеет объем 279 страниц машинописного текста, содержит 80 рисунков и 18 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении показана актуальность создания деревообрабатывающих ЛПС с повышенными производительностью, точностью распиловки и ресурсом ленточных пил, даны общие характеристики проблемы, определена цель, задачи исследования и пути их реализации. Представлена связь темы исследования с потребностями деревообрабатывающей промышленности.

В первом разделе представлен состав компоновочной схемы механизма резания современного ЛПС; проведен анализ условий работы ленточных пил; дан обзор выполненных работ в области обработки древесины ленточными пилами и в области передач гибкой связью; рассмотрены основные направления развития механизмов резания ЛПС.

Анализ условий работы ЛП позволил установить характер и последовательность потери устойчивости:

- в момент врезания или при увеличении сил резания в процессе работы происходит некоторое смещение ЛП по шкивам назад (рис. 1);

- достигнув более напряженного положения на шкивах, пила перестает смещаться и начинает отклоняться от плоскости пропила под действием

Г

^ 5 ^ 3

I £

Рисунок 1 - Схема сдвига ЛП под действием нормальной составляющей силы резания Ру в момент врезания в древесину: а - направление действия нормальной составляющей силы резания; б - начало отжима пилы от шкива

разности боковых составляющих сил резания и центробежных сил;

- некоторое скольжение пилы относительно шкивов приводит к незначительному падению скорости резания на ленточной пиле (по сравнению с окружной скоростью ведущего шкива).

Скольжение ЛП происходит вследствие характера передачи движения от шкивов к ленточной пиле. На рис. 2 показан состав механизма резания ЛПС и представлена схема возникновения дуг скольжения с перераспределением усилия предварительного натяжения в процессе работы. В соответствии с теорией передач гибкой связью при сообщении движения ленточной пиле на каждом шкиве образуются дуги относительного скольжения и дуги относительного покоя. Дуги относительного скольжения аск 1 и аск_2 образуются со стороны сбегания ленточной пилы со шкивов и служат для передачи тягового усилия от шкивов к ленточной пиле, а дуги относительного покоя аоп1 и аоп2 образуются со стороны набегания ЛП на шкивы и служат для удержания ленточной пилы от поперечного смещения. Наличие дуги относительного скольжения аск2 возле зоны резания на ведомом шкиве (рис. 2, б) не способствует удержанию ЛП от поперечного смещения по шкивам, что снижает ее устойчивость.

а.

о.п.2

ск.1

а б

Рисунок 2 - Типовая схема механизма резания вертикального ленточнопильно-го станка: а - компоновочная схема; 6 - схема возникновения дуг скольжения и перераспределения усилия предварительного натяжения при работе

Исследованиям процессов распиловки древесины ленточными пилами посвящены работы М.А. Дешевого, А.Э. Грубе, А.Е. Феоктистова, Г.Ф. Прокофьева, Н.П. Рушнова, С.П. Почекутова, В.М. Кузнецова, Ю.В. Плотникова, В.И. Веселкова, В.П. Власова, A.M. Кузнецова, В.И. Санева, A.B. Грачева, Ю.В. Малышева, Э.П. Берлина, Ю.В. Воло-гдина, Г.К. Ступнева, Г.Ф. Дружкова, Э.В. Трухина, М.Ю. Варакина, Л.Г. Швамма, Ю.А. Филиппова, В.Ф. Фонкина, И.И. Трубникова, В.Н. Хлебодарова, В.А. Худякова, H.H. Меныпуткина и др.

Анализ выполненных работ позволил установить следующее:

- устойчивость ленточных пил надо разделять на устойчивость в пропиле, устойчивость на шкивах и виброустойчивость;

- разрабатываемые станки имеют недостатки, связанные с низкой устойчивостью ленточных пил на шкивах;

- существующие направляющие ленточнопильных станков не отвечают требованиям обеспечения высокой устойчивости ленточных пил;

- несущая способность ЛП оценивается сложным напряженным состоянием на различных участках (одноосным, плоским и объемным) в условиях переменных нагрузок;

- в теоретических и экспериментальных работах не учитывались трибофизические процессы в передаче «шкив - ленточная пила».

Вопросы передач гибкой связью (ПГС) и передач трением рассматривали: JI. Эйлер, Н.П. Петров, Н.Е. Жуковский, О. Каммерер, А. Фи-бер, А.Ю. Ишлинский, Е.А. Иванов, И.В. Крагельский, В.А. Дьяков, Д.К. Минов, Е.С. Траубе, A.B. Андреев, В.А. Светлицкий, И.И. Воробьев и многие другие. На основании анализа выполненных работ сделаны следующие выводы:

- физические процессы, происходящие в передачах трением первого вида (гибкой связью), подчиняются одним и тем же законам вне зависимости от вида и параметров передач;

- усилие предварительного натяжения Fa при работе перераспределяется в соответствии с соотношением Ж. Понселе 2F0 = Fp + Fx, т.е.

увеличивается в рабочей ветви и уменьшается в ведомой ветви;

- величина соотношения Понселе зависит от многих факторов и определяет тяговое усилие, развиваемое в передаче Fr = Fp - Fx;

- тяговое усилие реализуется на дуге относительного скольжения, так как в пределах этой дуги изменяется натяжение гибкой связи;

- дуги относительного покоя являются тем местом, где нет явного проскальзывания гибкой связи относительно шкива или такое проскальзывание существует частично. Они служат для стабилизации гибкой связи от поперечного смещения;

- для тяжелых условий работы (например, в грузонесущих ленточных конвейерах) гибкую связь в плоскости наименьшей жесткости усиливают поддерживающими контурами в виде роликов, гусениц, лент или цепей. В последнем случае движение от шкива к гибкой связи передается через гибкий промежуточный рабочий орган;

- при передаче движения посредством многоконтурной передачи «шкив - гибкий рабочий орган - гибкая связь» на гибком рабочем органе (ГРО) также образуются со стороны сбегания гибкой связи зоны скольжения, а со стороны набегания - зоны покоя.

Таким образом, при прочих равных условиях главным фактором, удерживающим ленточную пилу на шкивах от сдвига в поперечном направлении при действии нормальной составляющей силы резания, является наличие на шкивах при движении ленточной пилы дуг относительного покоя, где нет скольжения пилы относительно шкивов. Повышенная устойчивость ЛП будет достигнута при максимальном приближении к зоне резания дуг и зон относительного покоя.

Во втором разделе рассмотрены физические основы передачи тягового усилия ленточной пилой; дан анализ условий передачи движения ленточной пиле в механизмах резания ленточнопильных станков; проанализированы пути повышения эффективности работы ЛП при распиловке древесины. Исследования, проведенные при выполнении работы, показали, что, используя рекомендуемые методы теории ПГС по применению в системе натя-

«лшшлкпт ..П..Т111.1ЛП СС 7-

ного повышения устойчивости ЛП при этом не происхо- рисунок 3 - Схемы механизмов резания дит, и больший эффект мо- горизонтальных ленточнопильных станков: жет быть достигнут при при- а - с боковым роликовым компенсатором; менении полноприводной б - полноприводная

вым роликом и зафиксировав ведомый шкив (рис. 3, а), можно до 80% увеличить тяговую способность передачи «шкив - ЛП». Но значитель-

а

схемы механизма резания, когда вместо одного двигателя на ведущем шкиве устанавливаются два такой же суммарной мощности на обоих шкивах (рис. 3, б). Натяжения в рабочей и холостой ветвях ленточной пилы при работе выравниваются, так же, как и дуги относительного скольжения и покоя на обоих шкивах. То есть в полноприводной схеме аск1 = аск2;аоп1=ао п 2;Г0 = Гр = Благодаря этому устойчивость ленточных пил повышается на 20...25%. Однако отсюда следует, что полноприводные станки не решают кардинально проблему повышения устойчивости ЛП, но могут служить базой для создания станков с передачей главного движения на основе ДКТ ОП, то есть таких станков, у которых зоны относительного покоя максимально приближены к зоне резания и отсутствует поперечное скольжение пилы относительно шкивов.

Поведение ленточной пилы и шкивов в момент передачи движения демонстрирует плоская модель привода «шкив - ленточная пила» (рис. 4) в условиях сухого и граничного трения.

В работах Крагельского сформулированы основные особенности сухого трения и введено понятие о «третьем теле», формирующемся

зывания со значительными относительными смещениями. Разрушение контакта протекает не одновременно по всей поверхности трения, а обусловлено бегущей волной деформации, последовательно рвущей мостики сварки. Такое движение можно представить как движение зоны проскальзывания вдоль поверхности трения, что напоминает движение трансляционных дефектов в деформируемом твердом теле.

Для характеристики деформационного поведения «третьего тела» используется система уравнений, описывающих динамику поведения

между трущимися телами. «Третье тело» наделяется упруго-вязкими свойствами, которые, зависят от состояния поверхностей, давления, скорости приложения нагрузки.

Рисунок 4 - Плоская модель передачи «шкив - ленточная пила»

В работах Боудена развивается «мостиковая» теория внешнего трения, согласно которой между трущимися поверхностями возникают зоны сварки с малыми относительными смещениями и зоны проскаль-

дефектов в деформируемом твердом теле. Интерес представляют шесть компонент тензора напряженного состояния бесконечно малой частицы «третьего тела». Они характеризуют нормальные и касательные напряжения в направлении передачи главного движения ЛП и в направлении, нормальном к нему (рис. 5). Положим, что плотность «третьего тела» не изменяется со временем, отличными от нуля являются только четыре компоненты скоростей пластической деформации (е1, е2, е12, е21). Эти компоненты зависят только от времени и не зависят от координат, то есть «третье тело» деформируется однородно. При этих предположениях получим систему из четырех дифференциальных уравнений: .де, В

В^-Ц & 2х

де„ В

^21

е,22)+11е2 — <т2 =0

В

В

де

В ( \

+е2еп>+це12 ~Хи =0

21 В ( \

+еге\2)+г\е21-'сп =0

(1) (2)

(3)

(4)

д1 2

где В тл г\ - константы «третьего тела», причем т| имеет смысл коэффициента вязкости.

Компоненты тензора напряжений считаются заданными и характеризуют нагружение трущихся тел. Решение этих уравнений при нулевых начальных условиях имеет вид:

-9, > в

41

Рисунок 5 - Композиция напряжений и деформаций частицы «третьего тепа»: 1 - ЛП, 2 - шкив, 3 - «третье тело»

Л-е

(5)

(6)

Задавая в уравнениях (5), (6) постоянные компоненты, можно определять нормальные и касательные напряжения, возникающие в «третьем теле» и передающиеся ленточной пиле и шкивам.

Скольжение шкива относительно ленточной пилы будет происходить в том случае, когда скорость частицы «третьего тела», передающего движение от шкива к пиле, будет иметь относительно ленточной пилы какое-то действительное значение, а относительно шкива будет рав-

на нулю. Такой момент может наступить при определенном сочетании действия касательных напряжений в трущейся паре.

Рассмотрим характер изменения касательных напряжений в зависимости от скорости и времени деформаций частицы «третьего тела» при простой схеме нагружения, используя уравнение для необратимой составляющей скорости пластических деформаций е12, которое имеет место для деформируемого твердого тела:

де

В—~ + г\еп -т12 =0. (7)

81

Решение однородного уравнения, соответствующего уравнению (7),

т.,

имеет вид: еп =—^ + С0 е в , (8)

где величина — = Р характеризует время релаксации. В

«Вязкие» касательные напряжения, возникающие в зоне контакта:

т=т12+лС0е«. (9)

Общие касательные напряжения в зоне взаимодействия трущихся тел:

т = т12+(т0-т12)е * или т = т0 — - -^--1 е в , (10)

где т0 можно трактовать как упругие (жесткие) касательные напряжения, сформировавшиеся к моменту проскальзывания при / = 0.

Данные условия характера передачи рабочего движения в механизме резания ЛПС рассмотрены в предположении, что другие компоненты тензора скорости пластических деформаций не оказывают влияния на сдвиговую компоненту скорости деформации еп.

Характер изменения касательных напряжений между трущимися телами в передаче «шкив -ЛП», вытекающий из выражения (10), представлен на рис. 6. В зависимости от функции времени с момента начала движения

Т п

_ То

Т12

I Г

а б

Рисунок 6 - Характер изменения касательных напряжений, сформировавшихся к моменту проскальзывания: а- до проскальзывания; б - после проскальзывания

изменение упругих касательных напряжений на элементарном участке до проскальзывания идет со значительным возрастанием, а после проскальзывания - с резким убыванием. Характер изменения упругих касательных напряжений остается неизменным для различных уровней на-гружения. Установив константы и постоянные компоненты, можно определить «вязкие» касательные напряжения в «третьем теле».

Принимая скорость пластической деформации частицы «третьего тела» как стремящейся к окружной скорости ведущего шкива, то есть £-21—> ^шю а численное значение константы г| —+ г|древ - как стремящейся к

численному значению коэффициента внутреннего трения древесины, то есть т] я (0,5...0,6 )Ю6 Па с, получим максимальные значения «вязких»

> касательных напряжений: т = (0,5...0,б)106 (30...45)« 15...27 МПа. Их значение невелико по сравнению с общим напряженным состоянием ЛП, но так как они передаются материалу растянутой ленточной пилы, их действие может негативно сказываться на сопротивлении усталости ЛП.

Таким образом, ленточной пиле передаются напряжения, формирующиеся в «третьем теле» в момент передачи рабочего движения, и происходит проскальзывание пилы относительно шкивов.

Условие скольжения в зависимости от нормальных напряжений, возникающих при действии усилия предварительного натяжения

3 я2о 1 п^

имеет вид: о.2—-—- + --Ц-<0 (И)

2 В 2 в

Проскальзывания не будет в случае, когда:

2

(12)

и

Условие (12) невозможно выполнить в существующих компоновочных схемах механизмов резания ЛПС для гладких (без зубчатого зацепления) поверхностей пилы и шкивов. Если роль «третьего тела» возьмет на себя гибкий промежуточный рабочий орган, передающий

> движение от шкива к ленточной пиле, то, скользя относительно шкива, он может оставаться неподвижным относительно пилы, в зависимости от условий ее закрепления и от соотношения жесткостей ГРО и ЛП.

Из приведенных положений следует, что для обеспечения лучших условий передачи рабочего движения ленточной пиле и исключения ее поперечных смещений по шкивам необходимо применять многоконтурную передачу гибкой связью в системе привода пилы, то есть передачу типа «шкив - ГРО - ЛП». В этом случае возникает возможность варьирования условиями закрепления ЛП, а также возможность создания

необходимых реакций (за счет сил трения), устойчиво компенсирующих сдвиговые компоненты ленточной пилы в поперечном направлении.

Для реализации цели в диссертационной работе были разработаны концептуальные модели направляющих устройств и механизма резания ЛПС и намечены пути повышения эффективности работы ленточных пил. На рис. 7 представлена схема направляющего устройства на основе трения относительного покоя, в которой ЛП может двигаться вместе с ГРО, оставаясь в то же время неподвижно зажатой. В качестве ГРО могут быть использованы лента, ремень, гусеница или специальная цепь, а для повышения контактной жесткости ГРО - промежуточные опорные катки.

Концептуальная модель механизма резания ленточнопильного станка должна отвечать следующим требованиям:

- иметь натяжение ленточной пилы только в зоне резания;

- не передавать движение ЛП на основе трения скольжения;

- не иметь дополнительных центробежных сил в рабочей ветви пилы;

- иметь надежные регулировки для придания ЛП нужного положения;

- создавать устойчивые опорные реакции для пилы возле зоны резания с целью противодействия усилию подачи на основе трения относительного покоя.

Таким требованиям к механизму резания ленточнопильного станка может отвечать концептуальная модель, представленная на рис. 8.

В данной схеме ленточная пила при работе натягивается только в зоне резания за счет необходимого тягового усилия /Г, привод-направляющего устройства, которое должно составлять:

/г +/>,)*,, (13)

где Рг - касательная составляющая силы резания;

^торм - необходимое усилие торможения ленточной пилы;

кт - коэффициент запаса тягового усилия.

Усилие необходимое для натяжения ленточной пилы в рабочей зоне составит:

правляющего устройства ЛПС на основе ДКТ ОП: 1 - гибкий рабочий орган; 2 - ленточная пила; 3 - направляющие ролики

(14)

Рисунок 8 - Концептуальная модель механизма резания ЛПС с привод-направляющим и тормоз-направляющим устройствами на основе ДКТ ОП и «свободной» нерастянутой пилой вне зоны резания: 1 - приводное направляющее устройство; 2 - тормозное направляющее устройство; 3 - контур с роликовыми траверсами для поддержания ЛП вне зоны резания; 4 - ленточная пила

торм ■

В целом реализация данных концептуальных схем направляющих и механизмов резания повлечет за собой усложнение существующего ленточнопиль-ного оборудования. Вследствие этого необходимо ограничиться более простыми схемами, не усложняющими ЛПС, но в то же время повышающими устойчивость ЛП.

Условие компенсации нормальной составляющей силы резания Ру, форми-

рующейся под действием усилия подачи Р1 и определяющей сдвиговые компоненты ленточной пилы, в соответствии со схемой (рис. 9), примет следующий вид:

(15)

Рисунок 9 - Схема компенсации усилия подачи Р, реакциями опорной поверхностью шкива и подшипниковой опоры Кло посредством силы трения /Чр

где кр - коэффициент запаса по сопротивлению силы трения поперечным сдвигам ленточной пилы;

(х - фактический коэффициент сцепления между ленточной пилой и гибким промежуточным рабочим органом.

Условие (15) будет успешно выполняться в том случае, если деформации ГРО в поперечном направлении и податливость подшипниковых узлов приводов шкивов ленточнопильного станка будут различаться не более чем на порядок с величиной предварительного смещения первого рода для ленточной пилы.

На основании выполненных теоретических исследований возникает необходимость создания механизмов резания ЛПС,

которые должны быть связаны с установлением устойчивых опорных реакций для ленточной пилы возле зоны резания, предотвращающих ее поперечное перемещение по шкивам под действием усилия подачи. В новых механизмах в системе привода ленточных пил должны применяться многоконтурные передачи гибкой связью типа «шкив - ГРО - ЛП» на основе ДКТ ОП вместо традиционных передач «шкив - ЛП».

В третьем разделе рассмотрены устойчивость и несущая способность ленточных пил при распиловке древесины; приведены условия сохранения устойчивости ленточных пил в пропиле; произведено прогнозирование ресурса ленточных пил по их несущей способности.

Для комплексной оценки напряженного состояния ленточных пил рассмотрим четыре случая возникновения в них напряжений: в статике при установке и натяжении ленточной пилы; в момент пуска ленточно-пильного станка; при установившейся работе станка на холостом ходу; при работе ленточнопильного станка по распиловке древесины.

Обозначим постоянно действующие и не изменяющиеся во всех четырех оговоренных случаях напряжения в ленточной пиле как:

°уст =О0 +°изг +анр +°юл +анак- (16)

Тогда нормальные напряжения будут принимать следующие значения:

- в статике, при установке и натяжении ленточной пилы

1о„=ауст, (17)

- в момент пуска ленточнопильного станка

О пуск = °уст + вщск > О 8)

- при установившемся движении станка на холостом ходу

- при работе станка в момент распиловки древесины

10ра6 +°наг +Орез +Оцс (20)

где О0,оюг,оцс,овал,- напряжения от предварительного

натяжения пилы, изгиба на шкивах, от центробежных сил, от степени вальцевания, от нагрева, от наклона шкивов, от сил резания.

Из выражений (17) - (20) и эпюры напряжений, представленной на рис. 10, следует, что в формировании максимальных нормальных напряжений будут принимать участие не все составляющие суммарных напряжений. Неопределенными являются напряжения от отжима пилы направляющими роликами анр, напряжения, возникающие в ЛП в момент

пуска ЛПС о , напряжения в ЛП от передачи тягового усилия отаг.

3_ 6 К 2 1 3

Рисунок 10 - Схема напряженного состояния ленточной пилы, возникающего в процессе работы: 1 - напряжения в холостой ветви ЛП; 2 - уровень напряжений в рабочей и холостой ветвях пилы в статике; 3 - напряжения от изгиба ЛП на шкивах; 4 - напряжения от отжима пилы направляющими роликами; 5 -напряжения от сил резания; б - напряжения от передачи тягового усилия

Также требуют уточнения напряжения от изгиба пилы на шкивах. Это связано с тем, что при отношениях толщин ленточных пил к диаметрам шкивов ЛПС, различающихся на 3 порядка, их относительные удлинения будут устанавливаться не от серединной линии толщины пилы, а от внутреннего диаметра кольцевого цилиндроида, в который вытягивается ленточная пила при установке в станок. Тогда относительное удлинение пилы при изгибе на шкивах составит:

Нормальные напряжения в ленточной пиле от изгиба на шкивах:

Формула (22) не учитывает взаимосвязи напряжений в ЛП от изгиба на шкивах ошг с напряжениями от усилия предварительного натяжения сг0, поэтому может быть применена только для случая установки ЛП в ЛПС. Для стационарного движения ленточной пилы при распиловке древесины в формулу (22) необходимо ввести поправочный коэффициент кп ~ 0,3.. .0,4, учитывающий длину дуги относительного покоя, на которой будет происходить суммирование напряжений о^,., а0 и а„г.

(22)

Напряжения, полученные по формуле (23), следует учитывать только при работке станка по распиловке древесины.

Напряжения от отжима пилы направляющими роликами будут носить местный характер (рис. 11) и определятся с учетом положений контактной задачи теории упругости при взаимодействии цилиндра и плоскости:

где к\= 0,41.. .0,42 - коэффициент, учитывающий площадь контакта.

Рисунок 11 - Схема отжима ленточной пилы направляющим роликом

Уровень контактных напряжений, возникающих в ЛП, может достигать значений, сопоставимых с уровнем напряжений от предварительного натяжения пилы, но их действие распространяется только на ограниченных участках ЛП возле размещения направляющих роликов.

Значительные трудности возникают при установлении напряжений в ленточной пиле в момент пуска ЛПС и при передаче тягового усилия. Для определения пусковых напряжений можно руководствоваться гипотезой, что они действуют на границах дуг относительного скольжения и покоя, и их уровень взаимосвязан с пусковой (пиковой) мощностью электродвигателя привода. Об уровне данных напряжений можно судить, исходя из уровня и характера напряжений, возникающих в ленточной пиле при передаче тягового усилия:

Из выражения (25) вытекает, что напряжения, возникающие в ленточной пиле при передаче тягового усилия, прямо пропорциональны уровню напряжений о0 и коэффициенту тягового усилия <р0 и 0,3...0,5. При ци0,15 (сталь по стали) и а = п для вышеперечисленных условий получаем отаг~ 30...80 МПа, что означает невысокий уровень напряже-

(24)

(25)

ний, сопоставимый с напряжениями от усилия предварительного натяжения. Так как при пуске станка данные напряжения могут мгновенно достигать значений, больших в 3...4 раза, чем при установившемся движении, их уровень становится близок к критическому. Особенно это относится к касательным напряжениям, приложенным к растянутой пиле в другой плоскости и оказывающим на нее перерезывающее действие. Во многих работах по ПГС касательные напряжения оцениваются как напряжения, определяющие разрушение гибкой связи.

В основу определения прогибов ленточной пилы положены аналитические зависимости теории устойчивости упругих систем, полученные методами Тимошенко, Бубнова, Галеркина, Динника, Власова, Ал-футова и др. Предлагаемые методы расчета справедливы только для статических условий нагружения, так как не учитывают сдвиговые компоненты ленточной пилы по шкивам в плоскости действия вектора усилия подачи и динамику работы ленточнопильного станка.

В кинетостатике по упрощенной схеме (рис. 13) (не беря в расчет виброактивность и тепловое воздействие) устойчивость ленточной пилы можно определять методом Бубнова. Величина прогиба пилы у в плоскости наименьшей жесткости составит:

У = -

2 Рк I

п2 ЕЗ 1г

+ Л

(26)

где Рб - нагрузка от разности боковых составляющих сил резания без учета центробежных сил (боковая сила, изгибающая пилу). Анализ зависимости (26) показывает, что усилие предварительного натяжения пилы не влияет значительно на устойчивость ЛП. В случае неравномерного распределения значения Рь по обеим сторонам пилы, устойчивость ее возрастает с увеличением натяжения (рис. 14).

77Ш

Рисунок 13 - Схема к определению устойчивости ленточной пилы

у, мм

4,5 4,0 3,5 3,0 2.5 2,0 1,5 1,0 0,5 0,0

1 1

- -*-Ро-1040Н -"-Ро»1820Н — —*— н

оа

0,4

0,6

0,8 /, М

500 1000 1500 2000 2500 3000 Г„Н б

Рисунок 14 - Зависимость среднего значения прогиба ЛП от: а - расстояния между направляющими; б - усилия предварительного натяжения ^

Причина низкой устойчивости ЛП кроется в условиях передачи ей рабочего движения, так как ленточная пила испытывает продольные и поперечные перемещения относительно шкивов ЛПС.

На потерю устойчивости ленточной пилы существенное влияние оказывает динамика работы ЛПС. Учитывая влияние динамических факторов: центробежных сил, сил упругого восстановления ЛП периодически меняющейся возмущающей силы /ч, силы сопротивления древесной среды начальной боковой силы Р6, уравнение равновесия с учетом веса РЕ отрезка пилы между направляющими примет вид:

+ 0.

(27)

Решение уравнения (27) приводит к нахождению периода *ь и частоты собственных колебаний <в0 отрезка ЛП и позволяет определить динамический прогиб ленточной пилы при наличии сил сопротивления:

у= „ ^ = ^о™ (28)

^(сй02-ш2)2 +4И2Й)2

1-

( \ 2 ( \ V Л

Ш + 4 п 1 ©

—

1®о;

где и - коэффициент затухания колебаний; р

?тах у0 ~ у о тах - наибольшая величина статической деформации

ЛП при максимальном действии возмущающей силы

Отсюда можно найти коэффициент динамического усиления прогиба ленточной пилы: Кп= —. (29)

Уо

Максимальные динамические прогибы пилы в рабочем диапазоне жесткостей уменьшаются по сравнению со статическими. С увеличением соотношения частот °У вынужденных и собственных колебаний

/ ®о

отрезка пилы и с приближением его к единице произойдет резкое увеличение динамических прогибов пилы в плоскости наименьшей жесткости. Такой момент может наступить при увеличении длины отрезка пилы между направляющими, когда частота вынужденных колебаний возрастает, а собственных - убывает, а также при уменьшении усилия предварительного натяжения ленточной пилы.

С учетом формулы (29) отклонение ленточной пилы составит:

У = УоКл +Ус+У,+ Упроч . (30)

где ус - отклонение пилы, вызванное погрешностями работы станка; у, - отклонение пилы, вызванное тепловым расширением; ^проч - отклонение пилы от действия прочих неучтенных факторов. К числу неучтенных факторов в теории устойчивости упругих систем принадлежат скольжение ленточной пилы относительно шкивов и ее поперечное смещение по шкивам, вызывающее дисторсию траектории резания. Это обстоятельство будет оказывать решающее влияние на величину прогибов ленточной пилы в зависимости от условий ее закрепления в направляющих опорах.

Для установления рационального периода эксплуатации ленточных пил необходимо точно определять их ресурс по сопротивлению усталости, выраженный числом периодов стойкости режущих элементов (зубьев). Особенность работы ленточных пил при распиловке древесины заключается в том, что за период стойкости их амплитуды напряжений изменяются во времени от минимальных к максимальным по мере затупления режущих элементов. Закон распределения амплитуд средних напряжений цикла за период стойкости пилы соответствует закону изменения энергетических показателей резания древесины и носит нормально-логарифмический характер. Эмпирическая функция плотности вероятности нормально-логарифмического распределения амплитуд напряжений имеет вид:

/(о,) = аая(1-1щ,), (31)

где оая - амплитуда напряжений вновь заточенной ленточной пилы; г, - время в мин. с момента начала работы пилы до затупления.

Совокупность амплитуд напряжений за период стойкости режущих элементов пилы будет составлять блок нагружения. Количество блоков нагружения за срок службы ленточной пилы определяет ее ресурс по усталостной долговечности. Расчет среднего ресурса ленточных пил по сопротивлению усталости проводится с использованием корректированной линейной гипотезы суммирования усталостных повреждений. Вначале определяется коэффициент ар, корректирующий линейную гипотезу суммирования усталостных повреждений:

(32)

1=1 Ni

где с - номер первого уровня амплитуды напряжения аш элемента ленточной пилы (межзубовой впадины), которая превышает предел выносливости о., материала пилы;

п, - общее количество циклов повторения амплитуд ош за срок службы ленточной пилы;

ТУ, - число циклов до появления усталостного разрушения (начала развития трещины) при действии напряжений с амплитудой о а . Ресурс ленточной пилы по сопротивлению усталости, выраженный числом блоков нагружения X, определяется выражением:

(33)

То" у

^ " т I ю (Оп^-ы)

где Ы0 - число циклов, соответствующее точке перелома кривой усталости. Условие сопротивления усталости ленточной пилы:

°-ы=т;1-~Г (34>

Индекс аа, >о_ы под знаком суммы в уравнениях (33) и (34) указывает на то, что суммирование в этих выражениях следует производить по амплитудам ош, превышающим предел выносливости ленточной пилы а_1(1,таккакприоа1 <о_ы, =оо.

Аналогично определяются касательные напряжения:

(35)

—ш «1 »т * ш

V ат Яа ('ш*м<1>

Ресурс ленточных пил при совместном действии касательных и нормальных напряжений, выраженный количеством установок в станок:

Х + У*т)2'т ' (36)

Таким образом, используя зависимости (34), (35) и (36), можно определять число возможных установок пил в станок, число их возможных переточек, предельные уровни нагружения и другие параметры.

Несмотря на то, что по касательным напряжениям ленточная пила может выдерживать достаточно большое количество блоков нагружения, пренебрегать ими нельзя. Ленточные пилы быстро выходят из строя из-за обрывов при следующих условиях работы:

- при крестообразном перекосе шкивов друг относительно друга;

- при работе ленточнопильного станка в режиме «пуск-стоп»;

- при распиловке сучковатой, свилеватой и комлевой древесины, когда существенно возрастают силы резания.

Во всех этих случаях отмечается заметное влияние касательных напряжений на общее напряженное состояние ленточных пил. Для оценки влияния касательных напряжений на сопротивление усталости ленточных пил был поставлен сравнительный эксперимент. В межзубовых впадинах ленточных пил отрезным кругом толщиной 0,5 мм делались надрезы, имитирующие усталостные трещины, длиной 10...30% от рабочей ширины полотна пилы, после чего пила устанавливалась на станок. Определялось количество циклов работы до разрушения и скорость роста усталостных трещин в зависимости от различных факторов. Результаты испытаний доказали, что на скорость роста усталостных трещин существенное влияние оказывают сила резания, крестообразный перекос

а б

Рисунок 15 - Скорость роста усталостных трещин Л/сШ в мкм/цикл, в зависимости от: а - напряжений от усилия предварительного натяжения при длине надреза пилы: 1-9 мм, (30% от ширины пилы); 2-6 мм, (20%); 3-3 мм, (10%); б - условий работы ленточных пил (длина надреза пилы 6 мм) по числу циклов нагружения N при: 1 -распиловке древесины; 2 - крестообразном перекосе шкивов в 1,5 град.; 3 - работе ЛПС в режиме «пуск-стоп»

шкивов и работа станка в режиме «пуск - стоп» (рис. 15). В этих условиях действуют максимальные значения «перерезывающих» касательных напряжений, которые определяют межкристаллитный сдвиг в материале растянутой ленточной пилы. Ранее считалось, что напряжениями, определяющими обрыв пилы, являются нормальные напряжения от ее изгиба на шкивах. В данной работе установлено: ленточные пилы с надрезами без отмеченных выше режимов нагружения могут проработать достаточно большое число циклов до разрушения (~ 104...10 циклов), если испытывают напряжения только в режиме холостого хода.

В четвертом разделе рассмотрены ЛПС на основе ДКТ ОП, тяговые характеристики систем передач главного движения механизмов резания ЛПС на основе ДКТ ОП и проведен анализ возможностей снижения напряженного состояния ленточных пил с целью повышения ресурса.

Передача «шкив - гибкий рабочий орган - ленточная пила» на основе ДКТ ОП будет являться многоконтурной передачей гибкой связью и относиться к передачам трением первого вида. Применение в механизме резания ЛПС передачи «шкив - ГРО - ЛП» вместо существующей «шкив - ЛП» позволяет за счет ДКТ ОП создать для пилы устойчивые опорные реакции, препятствующие ее сдвигу по шкивам и уменьшающие двухмерную дисторсию траектории движения зубьев при пилении.

В многоконтурных ПГС зоны и участки трения относительного покоя необходимо увеличивать за счет уменьшения зон и участков трения относительного скольжения. Для уменьшения зон трения относительного скольжения было разработано несколько новых компоновочных схем механизмов резания. За основу взята полноприводная схема. В качестве ГРО использовались клиновые ремни различной жесткости. Преимущество новых схем состоит в том, что ленточная пила остается неподвижной относительно гибкого рабочего органа, так как их взаимное скольжение сводится к минимуму. Пример применения новой схемы привода представлен на рис. 16, где кроме дуг относительного покоя и относительного скольжения появляются зоны относительного покоя Lon и относительного скольжения £cit. Они отличают новую схему от классической компоновки (рис 2, а) тем, что дуга и зона относительного покоя находятся на рабочей ветви пилы возле зоны резания. Появление на рабочей ветви ЛП только одной зоны относительного покоя LOB между пилой и ГРО привод-направляющего устройства позволило повысить скорость распиловки по существующим нормам точности или геометрическую точность сечений получаемых пиломатериалов более чем в два раза. Недостаток схемы заключается в том, что подвижная направляющая, служащая для ограничения свободной длины пилы, располагается после

К

Рисунок 16 - Компоновочная схема горизонтального ЛПС с передачей движения ленточной пиле посредством ДКТ ОП на одном из приводных шкивов

Рисунок 17 - Компоновочная схема полноприводного горизонтального ЛПС с передачей «шкив - ГРО - ЛП» на основе Д КТ ОП со сплошным, огибающим зону резания гибким тяговым промежуточным рабочим органом

зоны распиловки и не способствует ее удобной регулировке.

Лучшие результаты дают схемы, имеющие зоны относительного покоя на рабочей ветви ЛП с обеих сторон от обрабатываемого материала (например, как на рис. 17), позволяющие надежно удерживать ЛП на шкивах силами трения и повышающие ее устойчивость.

К преимуществам новых компоновочных схем механизмов резания ленточнопильных станков на основе длинных контактов трения относительного покоя следует отнести новый способ регулировки положения ленточной пилы. Если в традиционной двушкивной схеме положение ленточной пилы регулировалось при помощи уклона ведомого шкива в сторону ведущего или разворотом обоих шкивов друг к другу, то в компоновочных схемах ЛПС на основе ДКТ ОП положение ленточной пилы можно регулировать тремя способами:

1 - традиционным способом разворота шкивов друг к другу;

2 - выдвижением поддерживающих опорных роликов с гибким промежуточным рабочим органом в сторону распиливаемого материала;

3 - разворотом направляющего устройства ленточно-конвейерного типа с выдвижением его в сторону распиливаемого материала (рис. 18).

Рисунок 18 - Схема регулировки положения ЛП в ЛПС с применением ДКТ ОП при помощи разворота направляющего устройства ленточно-конвейерного типа

Последний способ имеет ряд преимуществ перед двумя первыми. Во-первых, убираются напряжения в ленточной пиле от разворота ведомого шкива; во-вторых, гибкий рабочий орган не будет испытывать напряжений от боковых изгибов, что увеличит его долговечность.

Усилие необходимое для выдвижения ЛП на нужное положение:

Если для традиционных двушкивных ЛПС угол разворота ведомого шкива ф составляет 0,3...0,5 град., то для регулировки ленточно-конвейерным направляющим устройством этот угол находится в пределах 1,5...2,5 град. Зависит это от фактической площади контакта поверхностей ЛП и ПРО направляющего устройства. Последний способ регулировки ЛП позволяет упростить конструкцию натяжного элемента ведомого шкива, исключив из него механизм регулировки уклонов.

Для оценки эффективности схем механизмов резания ЛПС проводилось сравнение их тяговых характеристик. Тяговые характеристики механизмов резания косвенным образом характеризуют эффективность работы ленточных пил и определяются следующими показателями:

- тяговым усилием, развиваемым ленточной пилой

- коэффициентом тягового усилия (коэффициентом тяги) <р0;

- коэффициентом сцепления ленточной пилы со шкивом ц;

- коэффициентом относительного скольжения 0, %.

Тяговое усилие, развиваемое ленточной пилой:

(37)

Из теории передач гибкой связью известно, что максимально допускаемая нагрузка, передаваемая ленточной пилой, будет соответствовать

точке перегиба на кривой скольжения, где коэффициент тяги ф0 составит:

(39>

где - натяжение от действия центробежных сил;

X - коэффициент, учитывающий влияние центробежных сил. Коэффициент сцепления ленточной пилы с ведущим шкивом:

ц = (40)

а 1-ф0

Коэффициент относительного скольжения (%):

6 = (1-^4100, (41)

т.о

где Кто - скорость тягового рабочего органа (скорость шкива или ГРО).

Экспериментальные зависимости коэффициентов относительного скольжения 0 от коэффициентов тягового усилия ф0 аппроксимировались функциями вида:

е = ае-'*°. (42)

где а, Ь - константы, зависящие от условий опытов.

Экспериментальные зависимости коэффициентов тягового усилия Ф0 от величины предварительного натяжения выраженного напряжениями в ленточной пиле ст0, аппроксимировались функциями вида:

ф0 =(а + 6<т0)е"со° +«/ (43)

где а, Ь, с, (1- константы, зависящие от характера трения.

Экспериментальные исследования по изучению влияния усилия предварительного натяжения на коэффициент тягового усилия ф0 показали: коэффициент тяги ф0 выше у полноприводных станков и станков с передачей «шкив - ГРО - ЛП», что связано с уменьшением скольжения в этих системах. Значения аппроксимирующих функций для ф0 у ЛПС с различными схемами механизмов резания составили:

ф0 = (0,68 + 20о0 )е~°,2% 00 + 0,74 - для станка на основе ДКТ ОП; ф0 = (о,57 + 22 а0 )е~°'28 °° + 0,55 - для полноприводного станка; Фо = (0,41 +25о0)е~0,267 +0,3 - для одноприводного станка.

Значения аппроксимирующих функций (рис. 19) для коэффициентов относительного скольжения 0 в зависимости от коэффициентов тяги ф0 и усилия предварительного натяжения выраженного напряжениями в ленточной пиле с0, для ленточнопильных станков с двушкив-ным одноприводным механизмом резания составили: 0 = е"7-85 Фо, при о0= 100МПа; 0 = е"5'89Фо,при о0 = 80МПа;

0 = е"4б19о,при о0 = 60МПа.

Для ЛПС с различными схемами механизмов резания: 0 = е'9'22 ф0, - для одноприводного станка; 0 = е"7,07 Фо, - для полноприводного станка; 0 = е'4'52 Фо - для станка с приводом на основе ДКТ ОП.

а б

Рисунок 19 - Зависимость коэффициентов относительного скольжения от: а ~ коэффициента тяги ф0 и напряжений о0 усилия предварительного натяжения: I - а0 =100 МПа; 2 - а0 =80 МПа; 3 - а0 =60 МПа; б - коэффициента тяги и различных типов механизмов резания ЛПС: 1 - одноприводный; 2 - полноприводный; 3-е приводом на основе ДКТ ОП

Таким образом, ЛПС с приводом на основе ДКТ ОП при одних и тех же условиях могут передавать относительную нагрузку (воспринимать усилие резания) значительно ббльшую, чем двушкивные станки.

Повышение ресурса ленточных пил по сопротивлению усталости заключается в уменьшении действующих нагрузок на пилу, то есть максимальным приближением схемы механизма резания ленточнопильного станка к концептуальной (рис. 8), в которой действуют только напряжения, необходимые для осуществления процесса резания.

В силу традиционализма деревообрабатывающего машиностроения любая схема механизма резания ЛПС, существенно отличающаяся от традиционной двушкивной схемы, для решения вышеизложенных задач не подойдет. В диссертационной работе предложена компоновочная схема механизма резания ЛПС на основе длинных контактов трения относительного покоя со «слабонатянутой» ленточной пилой (рис. 20).

Для устойчивой работы ленточной пилы при ее натяжении возле зоны резания необходимо создать напряжения с уровнем о0= 60...100 МПа. Осуществить такую задачу можно, если часть необходимого усилия натяжения ^ будет создаваться за счет сопротивления движению тормозного направляющего устройства.

Исследования, проведенные при выполнении работы, показали, что для передачи тягового усилия от ведущего шкива к ведомому минимально допускаемое усилие предварительного натяжения соответствует уровню напряжений о0= 2...8 МПа в зависимости от материала поверхности ведомого шкива. Для более устойчивого движения ведомого шкива и ленточной пилы, при котором пила может начать осуществлять процесс резания, данные напряжения должны составлять о0= 10 ... 15 МПа. При таком уровне напряжений ленточная пила не полностью занимает свое положение прямой линии сопряжения с периферией шкивов. Чтобы ЛП заняла требуемое положение, необходим уровень напряжений а0 = 20 ... 25 МПа в зависимости от толщины пилы.

Можно как минимум в два раза снизить уровень действующих напряжений в ленточных пилах от усилия предварительного натяжения,

Рисунок 20 - Компоновочная схема горизонтального ЛПС на основе ДКТ ОП со «слабонатянутой» ленточной пилой: 1,2- ведущий и ведомый шкивы; 3 - ленточная пила; 4 - электродвигатель привода; 5,6 - тормозное и приводное направляющие устройства; 7 - ГРО; ух - стрела прогиба холостой ветви ленточной пилы при работе от перераспределения усилия натяжения

2

У,

4

3

если перейти на компоновочную схему механизма резания ЛПС со «слабонатянутой» пилой. При этом исчезнут напряжения от отжима ленточной пилы направляющими роликами и уменьшится уровень напряжений от усилия предварительного натяжения. Кроме того, напряжения от передачи движения ленточной пиле будут снижаться из-за уменьшения сопротивления движению системы механизма резания.

Таким образом, для компоновочной схемы механизма резания лен-точнопильного станка со «слабонатянутой» пилой можно подобрать такие условия по натяжению ленточных пил, при которых общее число циклов работы для условий интенсивной распиловки древесины будет превышать значение 107 циклов.

В пятом разделе произведена оценка эффективности работы компоновочных схем механизмов резания ЛПС на основе ДКТ ОП.

При использовании концепций теории передач гибкой связью косвенную оценку эффективности работы ЛПС можно произвести путем сравнения тяговых характеристик изучаемых схем с традиционными. Важно оценить положение и длину участков относительного скольжения, так как на них не будет возникать сил сцепления между ленточной пилой и гибким промежуточным тяговым рабочим органом.

Теория передач гибкой связью предполагает, что зоны относительного покоя во время работы образуются со стороны набегания гибкого промежуточного рабочего органа на гибкую связь (ленточную пилу), а зоны относительного скольжения - со стороны сбегания. Тогда в соответствии со схемой (рис. 21, а) участок с дугой относительного скольжения должен возникнуть лишь на отрезке е/. При этом длина зон и участков относительного скольжения не должна зависеть от длины контакта ЛП с поверхностью тягового рабочего органа и будет определяться как:

" ^гУд(еи° +1) V В выражении (44) удельная сила трения будет принимать разные значения для дуги обхвата аУ и для линейного участка контакта ас1.

С учетом соотношений жесткостей ленточной пилы и тягового промежуточного рабочего органа выражение (44) можно представить в виде:

к Р

-(45)

1 + ^ Сгро

где - тяговое усилие, реализуемое в пределах зон скольжения; к = 0,75.. .1,0 - коэффициент, зависящий от толщины ЛП; сп и сгро - обобщенные жесткости ленточной пилы и ГРО.

Остальная часть тяговой силы в соответствии с выражением (45) будет передаваться в зонах относительного покоя. Решая совместно выражения (44) и (45), можно определять длины зон скольжения с учетом

обобщенных жесткостей пилы и гибкого рабочего органа:

( \

/г

т _ СК

ск кР

уд

1 +

V Сгроу

или £ск

*уд

1 +

V СгР°

(46)

В выражении (46) принято кР^Рек, так как в пределах зон скольжения будет реализовываться не менее 75% тягового усилия.

Используя зависимости (45) и (46), можно определять удельную силу трения в выражении (44) и длину зон относительного скольжения. Так, например, для ленточнопильных станков при диаметрах шкивов £) = 600 мм, сечении пилы 6x5 = 30х 1 мм, усилии предварительного натяжения 2/г0= 6000 Н, удельной силе трения без учета центробежных сил

^тр 0,25 Р0 0,25-6000 _.„, са

Руд = = —= -= 2,5 Н/мм, отношении —1— » 0,6 (для

£> О 600 сто

пары сталь - алюминий), тяговом усилии Рт ~ Р0 <р0 «3000 • 0,3 =900 Н, длина дуги относительного скольжения на ведущем шкиве составит

ЬСК = ^^ (1 + 0,6) = 576 мм, при общей длине дуги обхвата шкива ЛПС 2,5

„ _ я О 3,14-600 ... _ ленточной пилои Ь06щ = =-~-= 942 мм. Длина дуги относительного покоя для ведущего шкива станка соответственно определится как Ьоп - ¿общ - ЬСК =942-576=366 мм, что составляет 38,85%. Если

произвести учет действия центробежных сил, зависящих от скорости резания, то длина дуги относительного покоя уменьшится, но не может составить менее 10% от полной дуги обхвата шкива ленточной пилой, иначе начнется буксование ЛП (и сход ее со шкивов).

Для многоконтурных передач «шкив - ГРО - ЛП» длина зон относительного покоя будет больше, чем в приведенном примере для передачи «шкив - ЛП» и эти зоны будут располагаться на рабочей ветви пилы возле распиливаемого материала.

Сила сцепления, с которой ленточная пила удерживается на участке ай гибкого рабочего органа, должна составлять:

где у - угол оттяжки ЛП от линии периферии шкивов.

Данные положения теории передач гибкой связью проверялись практически на гибком экспериментальном модуле методом рисок. Комбинации компоновочных схем механизмов резания осуществлялись заменой шкивов, направляющих и клиновых ремней, исполняющих роль ГРО.

Коэффициент сцепления ц определялся с учетом выражения (40) и его значение лежало в пределах ц = 0,2 ...0,6.

На основании выполненных исследований установлено следующее. Во время пуска станка появляются две зоны проскальзывания ленточной пилы относительно клинового ремня: со стороны набегания пилы на ремень на участке аЪ (рис. 21, а) и со стороны сбегания на участке е/. В установившемся режиме работы они сливаются в одну зону скольжения со стороны сбегания на участке ef. На линейном участке контакта ас1 возникает устойчивая зона относительного скольжения, которая уменьшается по мере увеличения жесткости ремня, усилия предварительного натяжения ленточной пилы и силы сцепления. Для ее ликвидации с участка Ьс была предпринята попытка установки на участке ай в контуре клинового ремня промежуточных роликовых опор (рис. 21, б) с целью повышения жесткости. Но, несмотря на существенное повышение жесткости, между опорами остаются зоны относительного скольжения. Объясняется наличие устойчивых зон относительного скольжения в передаче «шкив - ГРО -ЛП» следующими причинами:

1 - депланацией сечений ГРО ввиду его низкой жесткости;

2 - наличием пылеопилочной прослойки между ГРО и ЛП.

Последнее обстоятельство имеет решающее значение, так как из-за

частиц опилок и пыли наблюдается дискретный характер контакта

Рисунок 21 - Схема к определению длины зон относительного скольжения в передаче «шкив - гибкий рабочий орган - ленточная пила»: а - общий вид многоконтурного тягового рабочего органа: 1 - ленточная пила; 2 -ГРО; 3 - приводной шкив; 4 - поддерживающая роликовая опора; б - линейный участок контакта ЛП и ГРО с поддерживающими опорами

взаимодействующих элементов - ленточной пилы и гибкого тягового рабочего органа.

Сила сцепления, с которой пила удерживается на гибких рабочих органах, должна составить:

- для станков с оттяжкой ЛП от линии периферии шкивов:

^роп = + tgу2)]/*ск > Ру, (48)

где/- коэффициент трения покоя между ГРО и ленточной пилой;

у, и 4^2 - углы оттяжки ленточной пилы привод-направляющими

устройствами от линии периферии шкивов;

кск = коэффициент, учитывающий длину зон скольжения;

LK - длина участка контакта ЛП с гибким рабочим органом.

- для станков без оттяжки ЛП (с двухсторонним поджимом):

FTpoiL=2FroJkCK>Py, (49)

где Fro - сила давления на ленточную пилу со стороны гибких рабочих

органов привод-направляющих устройств.

Для циклопозиционных горизонтальных ЛПС при ц «0,5, у = 2,5° сила сцепления ЛП с ГРО с одной стороны от обрабатываемого материала составит Fcli -F0 ntg\|/=3000 -0,5 tg 2,5 = 65,5 H. С обеих сторон от

обрабатываемого материала сила сцепления составит Fcu= 131 Н. Отсюда следует, что ЛПС на основе ДКТ ОП могут без поперечного сдвига пилы воспринимать значительные усилия подачи Ps (в приведенном примере для станков легкого класса сила сцепления Fm сопоставима с нормальной составляющей силы резания Ру для станков тяжелого класса).

Для оценки эффективности работы станков на основе ДКТ ОП были приняты компоновочные схемы механизмов резания, представленные на рис. 16, 17, 20 и др. Схема механизма резания, представленная на рис. 16, может применяться при модернизации станков ЛГС -50 и «Wood-Miser» LT-40HD, у которых на шкивах в роли бандажей используются клиновые ненатянутые (а потому быстроизнашивающиеся) ремни. Схема (рис. 17) имеет незначительные преимущества перед предыдущей в плане повышения точности распиловки, но долговечность гибкого рабочего органа у нее выше, а виброактивность ленточной пилы ниже. Кроме того, в данной схеме частично проявляется эффект «слабонатянутой» ленточной пилы вне зоны резания. В схеме механизма резания на основе ДКТ ОП со «слабонатянутой» ленточной пилой (рис. 20) были учтены все недостатки, присущие предыдущим схемам. По точности, производительности распиловки, стабильности и долговечности рабе имеет наилучшие

БИБЛИОТЕКА С. Петербург

ММ»

II миг* *

результаты. Кроме того, наличие одного электродвигателя привода позволяет приблизить ее к традиционным двушкивным схемам ЛПС.

К внедрению в практику деревообработки можно рекомендовать следующие схемы механизмов резания ЛПС (рис. 22). Данные схемы могут быть использованы как для горизонтальных, так и для вертикальных ЛПС, но схемы станков (рис. 22 в, г) предпочтительнее использовать в вертикальном исполнении. Схемы ЛПС с двумя рабочими ветвями разрабатывались и апробировались давно. Неудачи таких решений были обусловлены тем, что они разрабатывались в одноприводном варианте. Лен-точнопильный станок может пилить обеими ветвями ленточной пилы только в полноприводном варианте исполнения.

Рисунок 22 - Компоновочные схемы ленточнопильных станков на основе длинных контактов трения относительного покоя, рекомендуемые к внедрению в деревообрабатывающую промышленность: а - одноприводный со «слабонатянутой» ленточной пилой; б - полноприводный на основе ДКТ ОП; в, г- полноприводные на основе.ДКТ Ор_р ДВУМЯ рабочими ветвями

>>>>>>>>>!>) *>>>>>>>>}}>>>>) а б

» * 4 > »>' ЧвН»''

Критериями технологической оценки новых компоновочных схем механизмов резания являлись скорость подачи V, и величина подачи на зуб определяющие производительность ленточнопильных станков и точность геометрических форм выпиливаемых пиломатериалов, косвенно характеризующих устойчивость работы ленточных пил.

Результаты замеров точности сечений получаемых пиломатериалов для различных схем механизмов резания ЛПС представлены на рис. 23. Наибольшей точностью распиловки, а, следовательно, и наибольшей устойчивостью обладают ленточные пилы, движение которым сообщается механизмами резания на основе ДКТ ОП, так как они создают необходимые реакции, устойчиво компенсирующие сдвиговые компоненты ленточной пилы по шкивам от действия усилия подачи.

Рисунок 23 - Распределение отклонений размеров пиломатериалов по толщине для ленточнопильных станков различного типа: 1 - двушкивный однопривод-ный; 2 - двушкивный полноприводный; 3 - ЛПС с приводом на основе ОП

Главным критерием ограничения скорости подачи является точность распиловки древесины. Максимальное отклонение ленточной пилы при распиловке не должно превышать допускаемого значения [у]. Повысить устойчивость ленточной пилы в пределах допустимого прогиба [у] возможно, при условии применения в ленточнопильном станке компоновочной схемы механизма резания на основе ДКТ ОП с двухсторонним поджимом ленточной пилы (рис. 20). При этом изменятся условия закрепления ленточной пилы (рис.24), и, в случае приближения контактной жесткости гибких рабочих органов приводных и направляющих устройств к контактной жесткости пилы, ее можно рассматривать как балку с жестко заделанными концами.

я

е = 0,16

24 24,2 24,4 24,624,8 25 25,2 25,4 25,6 25,8 26 А,мм

В упрощенном виде, без учета усилия предварительного натяжения Г0 и сил инерции, сравнительные прогибы ленточной пилы составят: - для схемы, представленной на рис. 24, а:

У =

V2

48 ЕГ

з

- для схемы на рис. 24, в: у =

(50)

(51)

192 Е1

где Р6 = <71 - эквивалентная сосредоточенная нагрузка для разности боковых составляющих сил резания.

1

У///////, ^ 1 ^ £ '////У///

»/МА У/УЛ™-

V///////

111 И 11

ь = 1

Рисунок 24 - Расчетные схемы к определению прогибов ленточной пилы для ЛПС разного типа: а - традиционный двушкивный станок - шарнирно опертая балка на упругом основании; б - станок на основе ОП с односторонним отжимом ЛП - балка на упругом основании; - ЛПС на основе ОП с двухсторонним поджимом ЛП - балка с жестко заделанными концами

Сравнивая выражения (50) и (51) видим, что при применении двухсторонних приводных и тормозных направляющих устройств на основе ДКТ ОП по условиям закрепления ленточной пилы расчетный прогиб у может уменьшаться в четыре раза по сравнению с традиционной двуш-кивной компоновочной схемой ленточнопильного станка. При этом следует сделать допущение, что коэффициент отношений контактной жесткости ленточной пилы сп и гибких рабочих органов сго приводных и тормозных направляющих устройств будет приближаться к единице.

В настоящее время в мировой практике ленточного лесопиления устойчивость ленточных пил повышают, поднимая масштабный фактор, то есть увеличивая ширину (до 350...600 мм) и толщину (до 2,2...2,6 мм) ленточных пил, увеличивая диаметр шкивов ленточно-пильных станков (до 3500 мм и выше) с одновременным увеличением габаритов и массы станков. Выполненные в настоящей работе исследования доказали, что при повышении точности распиловки существует возможность отказа от увеличения размеров ленточных пил и массы ленточнопильных станков за счет применения механизмов резания на основе длинных контактов трения относительного покоя и «слабонатянутой» ленточной пилой. Точность распиловки обеспечивают двушкив-ные станки нового поколения, обладающие повышенной устойчивостью и долговечностью работы ленточных пил

ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ

1. В процессе исследования теоретически установлена и экспериментально подтверждена связь трибофизических процессов, происходящих в передаче «шкив - ленточная пила» при сообщении главного движения с условиями обеспечения устойчивости ленточных пил.

2. Теоретически обоснованы и практически подтверждены условия формирования устойчивых опорных реакций в ленточной пиле возле зоны резания путем использования длинных контактов трения относительного покоя.

3. Определены условия движения и торможения в передачах «шкив - гибкий рабочий орган - ленточная пила», позволяющие снижать уровень напряжений в ленточных пилах и повышать их ресурс по усталостной долговечности.

4. В процессе исследований разработаны новые схемы механизмов резания ленточнопильных станков: а) полноприводная; б) на основе длинных контактов трения относительного покоя; в) со «слабонатянутой» ленточной пилой. Кроме того, разработаны привод-направляющие и направляющие устройства ленточно-конвейерного типов и способ регулировки ленточной пилы путем разворота таких устройств в сторону распиливаемого материала.

5. Дана оценка эффективности работы компоновочных схем механизмов резания ленточнопильных станков с различными вариантами исполнения путем сравнения их тяговых характеристик, производительности распиловки по скорости подачи и точности сечений получаемых пиломатериалов.

6. В процессе выполнения работы внедрены в производство более ста циклопозиционных горизонтальных ленточнопильных станков с новыми схемами механизмов резания, обладающих лучшей эффективностью работы по сравнению с аналогами. Новизна технических решений подтверждена патентами Российской Федерации.

По материалам диссертации опубликованы следующие работы:

1. Шилько, В.К. Определение ресурса работы несущих элементов дереворежущих инструментов / В.К. Шилько, Б.Б. Каменев, В.В. Фролов // Станки и инструменты деревообрабатывающих производств-Л.: ЛТА - 1987.

2. Шилько, В.К. Определение ресурса работы ленточных пил по несущей способности при распиловке древесины / В.К. Шилько // Вестник ТГА-СУ.- 1999. - № 1 - С. 176 - 182.

3. Шилько, В.К. Пути повышения устойчивости узких ленточных пил при распиловке древесины / В.К. Шилько, А.Г. Козырев // Вестник ТГАСУ-2000. - №1.- С. 262 - 269.

4. Пат. 2165842 РФ, МКИ 7В 27 В 15/04 Ленточнопильный станок / В.К. Шилько // Изобретения. Полезные модели - 2001. - № 12. - С. 395.

5. Шилько, В.К. Анализ прочности ленточных пил при распиловке древесины / В.К. Шилько // Сб. науч. тр. Лесотехнического института. Вып. 2,- Томск : ТГАСУ.- 2003.- С. 51 - 57.

6. Шилько, В.К. Перспективы повышения устойчивости ленточных пил / В.К. Шилько // Вестник ТГАСУ,- 2003.- №1С. 102 - 110.

7. Кондратюк, A.A. Особенности формирования касательных напряжений при передаче рабочего движения в механизмах резания ленточнопиль-ных станков / A.A. Кондратюк, В.К. Шилько // Известия Томского политехнического университета.-2004 -Т. 307,№1 .-С. 129- 131.

8. Шилько, В.К. Характер рассеивания размеров сечений пиломатериалов на горизонтальных ленточнопильных станках легкого класса / В.К. Шилько, И.В. Новосельцева. - Томск : ТГАСУ - 2004. - 8 е.- Деп. в ВИНИТИ № 262.- В2004.17.02.2004.

9. Шилько, В.К. Влияние параметров направляющих роликов на напряжения в ленточных пилах / В.К. Шилько, М.Ю. Кондратьев, И.В. Новосельцева. - Томск : ТГАСУ.- 2004. - 8 е.- Деп. в ВИНИТИ № 263,-В2004.17.02.2004.

10. Новосельцева, И.В. Влияние степени затупления ленточных пил на характер рассеивания размеров сечений пиломатериалов / И.В. Новосельцева, A.A. Кондратюк, В.К. Шилько // Современные техника и технологии. СТТ 2004. - Т.1 : Материалы X Юбилейной Международной научно-технической конференции - Томск: ТПУ, 2004. - С. 145 - 147.

11. Кондратюк, A.A. Оценка напряженного состояния ленточных пил /

A.A. Кондратюк, В.К. Шилько // Известия Томского политехнического университета, - 2004,- Т. 307. №2,- С. 138 - 142.

12. Шилько, В.К. Механизмы резания ленточнопильных станков /

B.К. Шилько. - Томск : ТГАСУ.- 2004. - 151 е.- Деп. в ВИНИТИ № 766.- В2004.07.05.2004.

13. Кондратюк, A.A. Определение ресурса работы ленточных пил по циклической долговечности / A.A. Кондратюк, В.К. Шилько // Известия Томского политехнического университета. - 2004. - Т. 307. №3 - С. 105 - 108.

14. Kondratyuk, A.A. Estimation of band mill traction performances /

A.A. Kondratyuk, V.K. Shilko, V. D. Rudnev // 8th International Simposium on Science and Technology KORUS 2004. -Vol. 3. - P. 24 - 27.

15. Пат. 38670 РФ МКИ 7B 27 В 15/04 Ленточнопильный станок./

B.Д. Руднев, В.К. Шилько, М.Ю. Кондратьев // Изобретения. Полезные модели,- 2004. - № 19, IV часть. - С. 673 - 674.

16. Руднев, В.Д. Ленточнопильные станки на основе длинных контактов трения относительного покоя / В.Д. Руднев, В.К. Шилько, A.A. Кондратюк // Актуальные проблемы лесного комплекса : сб. науч. трудов по итогам 5-ой МНТК «Лес 2004»,- Выпуск 8. - Брянск: 2004 - С. 244 - 247.

17. Шилько, В.К. Перспективы развития ленточнопильных станков / В.К. Шилько // Деревообрабатывающая пром-сть- 2004. - № 5 - С. 6 - 11.

18. Пат. 42470 РФ МКИ 7В 27 В 13/10, 13/00 Направляющее устройство ленточнопильного станка./ В.А. Миняев, И.В. Новосельцева, В.Д. Руднев, В.А. Павлюк, В.К. Шилько // Изобретения. Полезные модели.-2004. - № 34, V часть. - С. 1115.

19. Кондратюк, A.A. Смещение зон относительного покоя в многоконтурных передачах гибкой связью «шкив - гибкий рабочий орган - ленточная пила» / A.A. Кондратюк, В.К. Шилько //Известия Томского политехнического университета. - 2004- Т. 307, №6. - С. 112-116.

20. Шилько, В.К. К условиям передачи рабочего движения в механизмах резания ленточнопильных станков /В.К. Шилько, И.С. Корчма //Вестник СибГТУ. - 2004,-№ 1.-С. 10-12.

21. Кондратюк, A.A. Современные направления развития механизмов резания ленточнопильных станков / A.A. Кондратюк, В.К. Шилько, И.В. Новосельцева // Современные проблемы машиностроения: Труды Н-ой Международн. науч.-техн. конф.-Томск : ТПУ,2004-С. 314-315.

22. Шилько, В.К. Использование трения относительного покоя в механизмах резания ленточнопильных станков / В.К. Шилько // Трение и износ. - 2004.- Т. 25, №5. - С 512 - 518.

23. Пат. 2243087 РФ МКИ 7 В 27 В 13/10, Направляющая ленточнопильного станка./ И.В. Новосельцева, В.Д. Руднев, A.B. Свентиц-кий, В.К. Шилько, М.Ю. Шульц // Изобретения. Полезные модели,- 2004. - № 36, IV часть. - С. 769.

24. Кондратюк, A.A. Пути уменьшения напряженного состояния ленточных пил / A.A. Кондратюк, Ю.В. Гриняев, В.К. Шилько //Известия Томского политехнического университета - Т. 308 - №1,2005.- С. 135 - 137.

25. Пат. 43492 МПК 7 В 27 В 13/00; 15/00; 15/04. Ленточнопильный станок / В.П. Власов, В.К. Шилько, М.Ю. Кондратьев // Изобретения. Полезные модели - 2005. - № 3, III часть. - С. 757.

26. Пат. 2253564 РФ МПК 7В 27В 15/00, 13/00 Ленточнопильный станок./ В.А. Миняев, В.Д. Руднев, В.К. Шилько // Изобретения. Полезные модели.- 2005. - № 16,1Участь- С. 1118.

27. Гриняев, Ю.В. Применение метода калибровочной теории дефектов при анализе напряженно-деформированного состояния трущихся пар в передачах трением / Ю.В. Гриняев, В.К. Шилько // Физическая мезоме-ханика. - 2005. - Т.8, № 2. - С. 27 - 33.

28. Пат. 45672 МПК 7В 27 В 15/00; 13/00. Ленточнопильный станок./ В.П. Власов, В.К. Шилько, И.В. Слепченко, М.Ю. Кондратьев // Изобретения. Полезные модели - 2005. - № 15, V часть. - С. 972.

29. Слепченко, И.В. Влияние динамических факторов на устойчивость ленточных пил / И.В. Слепченко, В.К. Шилько, A.A. Кондратюк //Современные техника и технологии. Сборник науч. трудов XI МНПК «Современные техника и технологии». - Томск: ТПУ, 2005Т. 1.-С. 167-169.

30. Кондратьев, М.Ю. Новый подход к определению напряжений в ленточных пилах при изгибе на шкивах / М.Ю. Кондратьев, В.К. Шилько, A.A. Кондратюк // Современные техника и технологии. Сборник науч. трудов XI МНПК «Современные техника и технологии». - Томск: ТПУ, 2005,-Т. 1.-С. 181-182.

31. Шилько, В.К. Механизмы резания ленточнопильных станков /В.К. Шилько. - Томск : Изд-во ТГАСУ, 2005. - 220 с.

Отзывы на автореферат в 2-х экземплярах, заверенные печатью учреждения, просим направлять по адресу: 660049, г. Красноярск, пр. Мира 82, ученому секретарю диссертационного совета Д 212.253.04 Мелешко A.B.

Подписано в печать 30.08.2005. Формат 60x84 1/16. Бумага офсет. Усл. п. л. 2,3. Тираж 100 экз. Заказ № 280. Изд. лицензия № 021253 от 31.10.1997. Изд-во ТГАСУ. 634003, г. Томск, пл. Соляная 2.

M

ч>

г

*

4

!

? «

í

115605

РЫБ Русский фонд

2006-4

12027

«

\

Список принятых обозначений и сокращений.

ВВЕДЕНИЕ.

1. АНАЛИЗ СУЩЕСТВУЮЩИХ МЕХАНИЗМОВ РЕЗАНИЯ ЛЕНТОЧНОПИЛЬНЫХ СТАНКОВ И

ОБЗОР РАБОТ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ.

1.1. Состав двушкивной компоновочной схемы механизма резания ленточнопильного станка и анализ условий работы ленточных пил при распиловке древесины.

1.2. Обзор работ, посвященных вопросам распиловки древесины ленточными пилами.

1.3. Обзор работ, выполненных в области передач гибкой связью.

1.4. Современные направления развития механизмов резания деревообрабатывающих ленточнопильных станков.

Выводы, цель и задачи работы.

2. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПЕРЕДАЧИ

ТЯГОВОГО УСИЛИЯ ЛЕНТОЧНОЙ ПИЛОЙ.

2.1. Анализ условий сообщения движения ленточным пилам в механизмах резания ленточнопильных станков.

2.2. Физические процессы, происходящие при передаче движения ленточным пилам в механизмах резания ленточнопильных станков.

2.3. Пути повышения эффективности работы ленточных пил при распиловке древесины.

Выводы.

3. УСТОЙЧИВОСТЬ И НЕСУЩАЯ СПОСОБНОСТЬ ЛЕНТОЧНЫХ ПИЛ ПРИ РАСПИЛОВКЕ ДРЕВЕСИНЫ.

3.1. Кинетостатический анализ напряженного состояния ленточных пил.

3.2. Условия сохранения устойчивости ленточных пил в пропиле.

3.3. Прогнозирование ресурса ленточных пил по усталостной долговечности.

Выводы.

4. ЛЕНТОЧНОПИЛЬНЫЕ СТАНКИ НА ОСНОВЕ ДЛИННЫХ КОНТАКТОВ ТРЕНИЯ ОТНОСИТЕЛЬНОГО ПОКОЯ.

4.1. Механизмы резания ленточнопильных станков на основе длинных контактов трения относительного покоя.

4.2. Тяговые характеристики механизмов резания ленточнопильных станков при передаче рабочего движения ленточной пиле.

4.3. Механизмы резания ленточнопильных станков со «слабонатянутой» ленточной пилой.

Выводы.

5. ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ ЛЕНТОЧНОПИЛЬНЫХ СТАНКОВ НА ОСНОВЕ ДЛИННЫХ КОНТАКТОВ

ТРЕНИЯ ОТНОСИТЕЛЬНОГО ПОКОЯ.

5.1. Методика и результаты оценки тяговых характеристик ленточнопильных станков на основе длинных контактов трения относительного покоя.

5.2. Результаты технологической оценки эффективности работы ленточнопильных станков на основе длинных контактов трения относительного покоя.

Выводы.

ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ.

Актуальность темы. В настоящее время в мировой практике деревообработки двушкивные ленточнопильные станки занимают ведущие позиции на операциях продольного деления древесины, производстве черновых заготовок, столярных изделий и в ряде других случаев [68, 190, 203]. Более широкому распространению ленточнопильного оборудования препятствует его небольшая производительность, недостаточная надежность ленточных пил и низкая точность распиловки [144, 190, 197]. У традиционных двуш-кивных механизмов резания деревообрабатывающих ленточнопильных станков имеются две основные проблемы:

1 - недостаточная устойчивость ленточных пил,

2 - недостаточный ресурс пил по усталостной долговечности.

Особенно актуальной остается проблема повышения устойчивости ленточных пил, так как от ее решения зависит рост производительности ленточнопильных станков и улучшение качества получаемой пилопродукции [141, 143]. Попытки повысить устойчивость пил за счет применения различных направляющих устройств, варьирования форм ободов шкивов и использования ряда других технических решений внесли существенный прогресс в данной области. Тем не менее проблема до конца не была решена и потребовала нетрадиционных решений [221], связанных с разработкой новых концептуальных основ развития механизмов резания деревообрабатывающих ленточнопильных станков.

При анализе ранее выполненных работ и физических процессов, возникающих в ленточнопильных станках, был сделан вывод о том, что эффективность работы ленточных пил может быть повышена за счет новых конструктивных схем механизмов резания с сообщением движения ленточной пиле на основе длинных контактов трения относительного покоя посредством многоконтурной передачи гибкой связью «шкив - гибкий рабочий орган -ленточная пила» [151, 222, 223].

Повышенная устойчивость ленточных пил позволит увеличить производительность и точность распиловки древесины на ленточнопильных станках, повышенная усталостная долговечность - снизить эксплуатационные затраты при ленточнопильной распиловке древесины.

Без решения проблемы повышения устойчивости и усталостной долговечности ленточных пил невозможно дальнейшее развитие ленточнопиль-ного оборудования и какой-либо прогресс в области обработки древесины ленточными пилами [202].

Цель работы - повышение устойчивости и усталостной долговечности ленточных пил при распиловке древесины.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Создать концептуальную теоретическую базу для разработки ленточнопильных станков с повышенной точностью, производительностью распиловки и ресурсом ленточных пил;

2. Разработать теоретические и экспериментальные методы исследования условий сообщения движения ленточной пиле. Установить их взаимосвязь с устойчивостью и несущей способностью ленточных пил;

3. Разработать теоретические и экспериментальные методы оценки устойчивости и несущей способности ленточных пил и способы их повышения;

4. Определить рациональные компоновочные схемы механизмов резания ленточнопильных станков на основе длинных контактов трения относительного покоя с повышенной устойчивостью и несущей способностью ленточных пил;

5. Провести на базе опытных образцов практические исследования, подтверждающие теоретические предпосылки. Провести оценку новых схем механизмов резания ленточнопильных станков на основе длинных контактов трения относительного покоя и определить из них наиболее приемлемые для потребностей деревообрабатывающей промышленности.

Объектом исследования являются конструкции и рабочие процессы в механизмах резания ленточнопильных станков, ленточные пилы шириной 5 -85 мм, выпиливаемые пиломатериалы и получаемые опилки.

Предметом исследования являются параметры движения, устойчивость и несущая способность ленточных пил, производительность распиловки древесины и точность получаемых пиломатериалов.

Методы исследования. Для теоретических исследований использовались: теория резания древесины, теория передач гибкой связью, теория передач трением, теория прочности, упругости и устойчивости, теория машин, физика твердого тела, металлофизика и физическая мезомеханика, тензорное исчисление. Для экспериментальных исследований применялись: гибкий экспериментальный модуль на базе циклопозиционного горизонтального ленточнопильного бревнопильного станка легкого класса с возможностью варьирования конструктивных схем сообщения движения ленточным пилам; экспериментальная установка на базе столярного ленточнопильного станка легкого класса; натурные образцы бревнопильных, делительных, тарных и столярных ленточнопильных станков; типовые и нестандартные методики исследований; стандартные приборы, оборудование и программы; методы прикладной статистики.

Научная новизна:

1. Разработаны математические модели трибофизических условий сообщения движения ленточной пиле, оценки устойчивости ленточных пил в динамике, прогнозирования ресурса пил по сопротивлению усталости;

2. Установлены трибофизические процессы при сообщении движения в системе «шкив - ленточная пила», их влияние на устойчивость ленточных пил и возникновение двухмерной дисторсии траектории резания;

3. Показаны преимущества многоконтурной передачи «шкив - гибкий рабочий орган - ленточная пила» по сравнению с передачей «шкив - ленточная пила» и предложены аналитические зависимости для определения опорных параметров гибких промежуточных рабочих органов привод-направляющих и направляющих устройств ленточнопильных станков;

4. Теоретически обоснованы компоновочные схемы механизмов резания ленточнопильных станков с сообщением главного движения ленточной пиле на основе длинных контактов трения относительного покоя и со «слабонатянутой» ленточной пилой.

На защиту выносятся:

- результаты теоретических и экспериментальных исследований, позволяющие установить связь трибофизических процессов в передаче «шкив -ленточная пила» с условиями обеспечения устойчивости ленточных пил при распиловке древесины;

- обоснование условий формирования устойчивых опорных реакций в ленточной пиле возле зоны резания, противодействующих усилию подачи со стороны распиливаемого материала, исключающих поперечные смещения пилы относительно шкивов и повышающих устойчивость ленточных пил;

- результаты определения условий движения и торможения в передачах «шкив - гибкий рабочий орган - ленточная пила», позволяющие снижать уровень напряжений в ленточных пилах и повышать их ресурс по усталостной долговечности.

Достоверность и обоснованность результатов обеспечена применением адекватного математического аппарата и современных методик экспериментальных исследований, сходимостью результатов теоретических и экспериментальных исследований, анализом практических наблюдений за работой ленточнопильных станков с новыми компоновочными схемами механизмов резания.

Практическая значимость полученных результатов работы заключается в том, что:

- разработана теоретическая база для создания ленточнопильных станков на основе длинных контактов трения относительного покоя с повышенной устойчивостью и повышенным ресурсом ленточных пил по усталостной долговечности;

- обоснованы и разработаны новые схемы механизмов резания ленточнопильных станков: полноприводная; на основе длинных контактов трения относительного покоя; со «слабонатянутой» ленточной пилой;

- разработаны привод-направляющие и направляющие устройства ленточно-конвейерного типов и способ регулировки положения ленточной пилы путем разворота таких устройств в сторону распиливаемого материала;

- предложена методика определения эффективности работы различных схем механизмов резания ленточнопильных станков путем сравнения: тяговых характеристик; производительности распиловки по скорости подачи; точности сечений получаемых пиломатериалов;

- по результатам работы разработаны, изготовлены и внедрены в производство более ста циклопозиционных горизонтальных ленточнопильных станков;

- результаты исследований использованы в учебном процессе при подготовке инженеров по специальностям 15040565 «Машины и оборудование лесного комплекса» и 25040365 «Технология деревообработки».

Апробация работы. Основные положения диссертации обсуждались на научно-технических конференциях лесотехнического института и семинарах кафедры машин, оборудования и технологии деревообработки Томского государственного архитектурно-строительного университета (г. Томск 1999 - 2005); на научно - практических семинарах лаборатории композиционных материалов института физики прочности и материаловедения Томского филиала Сибирского отделения РАН (1999, 2004); на X (юбилейной) международной научно-технической конференции в Томском политехническом университете (2004); на 8 - ом международном симпозиуме КОИ-Ш -2004 (г. Томск 2004); на II - ой международной научно-технической конференции «Современные проблемы машиностроения» (г. Томск 2004); на научно-практическом семинаре кафедры станков и инструментов Сибирского государственного технологического университета (г. Красноярск 2004), на научно-практическом семинаре кафедры станков и инструментов Уральского государственного лесотехнического университета (г. Екатеринбург 2005).

Публикации. По теме диссертации опубликована 31 работа, включая 7 патентов Российской Федерации и монографию. Из них 14 работ опубликовано в изданиях, рекомендуемых ВАК для докторских диссертаций.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, выводов и результатов, списка литературы из 232 наименований, 3 приложений, имеет объем 279 страниц машинописного текста, содержит 80 рисунков и 18 таблиц.

ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ

В диссертационной работе реализовано решение научной проблемы по повышению устойчивости и усталостной долговечности ленточных пил при распиловке древесины. Разработана теория механизмов резания ленточно-пильных станков на основе длинных контактов трения относительного покоя и станков со «слабонатянутой» ленточной пилой. Теория обеспечивает проектирование ленточнопильных станков с повышенной устойчивостью и усталостной долговечностью ленточных пил.

По результатам диссертационной работы сделаны следующие выводы:

1. В процессе исследования теоретически установлена и экспериментально подтверждена связь трибофизических процессов, происходящих в передаче «шкив - ленточная пила» при сообщении главного движения с условиями обеспечения устойчивости и усталостной долговечности ленточных пил.

2. Теоретически обоснованы и практически подтверждены условия формирования устойчивых опорных реакций для ленточной пилы возле зоны резания с целью противодействия усилию подачи путем использования передач «шкив - гибкий рабочий орган - ленточная пила» на основе длинных контактов трения относительного покоя.

3. Определены условия движения и торможения в передачах «шкив -гибкий рабочий орган - ленточная пила», позволяющие снижать уровень напряжений в ленточных пилах и повышать их ресурс по усталостной долговечности.

4. В процессе исследований разработаны новые схемы механизмов резания ленточнопильных станков: а) полноприводная; б) на основе длинных контактов трения относительного покоя; в) со «слабонатянутой» ленточной пилой. Кроме того, разработаны привод-направляющие и направляющие устройства ленточно-конвейерного типа и способ регулировки ленточной пилы путем разворота таких устройств в сторону распиливаемого материала.

5. Дана оценка эффективности работы компоновочных схем механизмов резания ленточнопильных станков с различными вариантами исполнения путем сравнения их тяговых характеристик, производительности распиловки по скорости подачи и точности сечений получаемых пиломатериалов.

6. В процессе выполнения работы внедрены в производство более ста циклопозиционных горизонтальных ленточнопильных станков с новыми схемами механизмов резания, обладающих лучшей эффективностью работы по сравнению с аналогами. Новизна технических решений подтверждена патентами Российской Федерации.

1. Александров, М.П. Тормозные устройства : справочник / М.П. Александров, А.Г. Лысиков, В.Н. Федосеев, М.В. Новожилов. - М. : Машиностроение, 1985.-311 с.

2. Алфутов, H.A. Основы расчета на устойчивость упругих систем / H.A. Алфутов. М.: Машиностроение, 1978,- 311 с.

3. Амалицкий, В.В. Монтаж и эксплуатация деревообрабатывающего оборудования / В.В. Амалицкий. М.: Лесная промышленность, 1982 - 336 с.

4. Андреев, A.B. Передача трением / A.B. Андреев. М. : Машиностроение, 1978.- 176 с.

5. Апостол, A.B. Разработка оптимальных режимов работы ленточнопиль-ного оборудования / A.B. Апостол // Технологические процессы и оборудование деревообрабатывающих производств : сб. науч. тр./ Моск. лесотехн. ин-т.- М. : МЛТИ, 1974.- С. 72 75.

6. Апостол, A.B. Исследование режимов работы ленточнопильного оборудования / A.B. Апостол // Основные направления научно-технического прогресса лесной и деревообр. пром-ти : тезисы докл.- Тбилиси : 1975.-С. 77-80.

7. Афанасьев, H.H. Статистическая теория усталостной прочности металлов / H.H. Афанасьев. Киев : Изд-во АН УССР, 1953.- 105 с.

8. Бакли, Д. Поверхностные явления при адгезии и фрикционном взаимодействии / Дональд Бакли; пер. с англ. A.B. Белого, Н.К. Мышкина; под ред. А.И. Свириденко. -М.: Машиностроение, 1986 359 с.

9. Баранов, С.А. Исследование работы ленточных пил с низким плющением зубьев и изыскание способов низкого плющения / С.А. Баранов, С.П. Почекутов : Отчет НИС / СибТИ 1963.

10. Безухов, Н.И. Основы теории упругости, пластичности и ползучести / Н.И. Безухов. М.: Высшая школа, 1961 - 538 с.

11. Беляев, Н.М. Сопротивление материалов / Н.М. Беляев. М. : Наука, 1976.- 608 с.

12. Берлин, Э.П. О методах повышения устойчивости ленточных пил / Э.П. Берлин // Науч. тр. ЦНИИМОД.- Архангельск : ЦНИИМОД, 1968.- С. 119-123.

13. Берлин, Э.П. Экспериментальные исследования силовых характеристик аэростатических направляющих для ленточных пил / Э.П. Берлин // Науч. тр. ЦНИИМОД.- Архангельск : ЦНИИМОД, 1968.- С. 253 260.

14. Берлин, Э.П. Экспериментальные исследования аэростатических направляющих на поперечную жесткость полотна ленточной пилы / Э.П. Берлин // Изв. вузов. Лесн. журнал 1969 - №2 - С. 85-87.

15. Бершадский, А.Л. Расчет режимов резания древесины /.А.Л. Бершад-ский. М. : Лесная промышленность, 1967 - 175 с.

16. Бершадский, А.Л. Резание древесины / А.Л. Бершадский, Н.И. Цветко-ва. Минск : Вышейшая школа, 1975 - 303 с.

17. Бидерман, В.Л. Прикладная теория механических колебаний / В.Л. Би-дерман. М. : Высшая школа, 1972.-416 с.

18. Бельфор, В. Е. К расчету многоприводных ленточных конвейеров / В. Е. Бельфор, И.В. Запенин // Горные машины и автоматика. 1968, № 4 - С. 16-20.

19. Богачев, И.Н. Введение в статистическое металловедение / И.Н. Богачев, А.А. Вайнштейн, С.Д. Волков. М. : Металлургия, 1972- 216 с.

20. Боуден, Ф.П. Трение и смазка твердых тел : пер. с англ. / Ф.П. Боуден, Д. Тейбор. М.: Машиностроение, 1968. - 543 с.

21. Варакин, М.Ю. Исследование влияния нагрева на работоспособность ленточных пил при распиловке древесины : автореф. дис. . канд. техн. наук.-Л. : ЛТА, 1981.- 20 с.22