Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Обзор совремнного состояния и тенденций развития в области создания и совершенствования лесопильного оборудования 20
1.1. Оборудование, используемое для лесопиления. Достоинства и недостатки
1.2. Современные тенденции в лесопилении. Обзор рынка лесопильного оборудования
1.3. Проблемы создания и эксплуатации лесопильного оборудования в рамках концепции жизненного цикла продукции
1.4. Выводы
Глава 2. Станок с круговым поступательным движением пильных полотен. особенности конструкции и процесса пиления 53
2.1. История создания. Патентные исследования
2.2. Принципиальная схема устройства. Основные узлы и элементы проектируемого станка
2.3. Основные характеристики процесса лесопиления. Оценка технико-экономических показателей станка
2.4. Выводы
Глава 3. Методология проектирования станка в рамках концепции жизненного цикла продукции 65
3.1. Основные задачи, подлежащие решению в процессе проектирования станка
3.2. Математические методы и численные алгоритмы анализа, используемые при расчетах элементов и узлов станка з
3.3. Виртуальная параметрическая модель станка в среде программного комплекса NX 72
3.4. Структура проведения расчётов и проектирования 74
3.5. Выводы 77
Глава 4. Расчёт и проектирование пильного полотна 79
4.1. Обоснование рациональных функциональных параметров пильного полотна в зависимости от количества и способов установки полотен в пильный модуль
4.1.1. Варианты конструкции полотен в зависимости от количества установленных в каждый пильный модуль
4.2. Расчёт и проектирование упругих элементов, обеспечивающих натяжение пильных полотен
4.3. Исследование влияния величины и эксцентриситета приложения усилия натяжения на спектр частот собственных 1т колебаний полотна
4.3.1. Расчёт устойчивости и выбор пильного полотна с линией его растяжения по зоне межзубовых впадин. Определение максимально-возможного эксцентриситета натяжения пильного полотна (2 ) 104
4.3.2. Анализ динамического поведения пильных полотен на основе оболочечной модели
4.4. Оценка прочности и долговечности полосовых пильных полотен
4.5. Выводы 4
Глава 5. Расчёт и конструирование пильного модуля 127
5.1. Принципиальная конструктивная схема пильного модуля и её варианты 127
5.1.1. Задача стабилизации пильных полотен в пильном модуле и её конструктивное решение 129
5.1.2. Анализ инерционных сил, действующих в пильном модуле 132
5.1.3. Варианты конструктивной схемы пильного модуля 136
5.2. Анализ динамических характеристик пильного модуля и способы решения задачи отстройки конструкции от нежелательных резонансных явлений пильных полотен 139
5.2.1. Расчёт динамических характеристик пильных полотен с учётом и без учёта влияния массы шарнирных узлов и различными условиями их вращения 142
5.2.2. Оценка влияния свойств пиловочного материала и специфики процесса распиловки на устойчивость рабочего движения пильных полотен 149
5.2.3. Исследование и расчёт влияния дифференцированного смещения величины эксцентриситета растяжения по длине полотна на спектр его собственных частот 155
5.2.4. Особенности изменения динамических характеристик пильного полотна при дифференцированном эксцентриситете его растяжения 162
5.3. Балансировка шарнирных узлов пильного модуля 163
5.4. Выводы 164
Глава 6. Проектирование подшипниковых узлов пильного модуля 166
6.1. Анализ условий работы и основные требования, предъявляемые к шарнирным узлам пильного модуля 166
6.2. Конструктивная схема подшипниковых узлов пильного модуля 172
6.3. Оценка потерь мощности подшипниковых узлов пильного модуля и оценка мощности, затрачиваемая на пиление пильным модулем 173
6.4. Выводы 177
Глава 7. Расчёт и проектирование пильного блока 179
7.1. Принципиальная структурная схема и основные узлы пильного блока
7.2. Расчёт валов пильного блока
7.2.1. Анализ и расчёт вала с шарнирно-закреплёнными концами
7.2.2. Анализ и расчёт вала с консольно-закреплёнными концами
7.2.3. Определение требуемых усилий натяжения полотен в пильном блоке
7.2.4. Метрологический анализ и расчёт компенсационных зазоров узла натяжения пильного полотна
7.2.5. Обеспечение требуемых усилий натяжения полотен в пильном блоке
7.3. Динамическая балансировка валов пильного блока
7.4. Определение ресурса работы валов пильного блока
7.5. Определение долговечности работы опорных подшипниковых узлов
7.6. Оценка и анализ потерь мощности опорных подшипниковых узлов пильного блока
7.7. Оценка мощности, затрачиваемой на работу механизма подачи 179 182
Глава 8. Экспериментальная проверка работоспособности и оценка рабочих характеристик многопильного станка с круговым поступательным движением пильных полотен 214
8.1. Экспериментальное изучение поведения пильных полотен в
218
режиме холостого хода
8.2. Проверка станка в ходе натурных испытаний при распиловке бруса и брёвен из древесины различных пород
8.3. Анализ результатов испытаний
8.3.1. Экспериментальная проверка наличия нежелательных резонансных режимов и отстройка пильного модуля по частоте
8.3.2. Исследование и анализ иных причин биения шарнирных узлов пильных модулей
8.3.3. Оценка зависимости биения шарнирных узлов пильного модуля от величины углового перемещения вала
8.3.4. Оценка зависимости биения шарнирных узлов пильного модуля от элементов крепления и фиксации пильных полотен
8.3.5. Испытания упругих элементов. Особенности технологии изготовления упругого элемента
8.4. Выводы 250
Глава 9. Перспективы использования созданного станка и вопросы дальнейшего совершенствования узлов и деталей пильного модуля в составе пильного блока 253
9.1. Повышение производительности. Снижение веса вращающихся деталей пильного модуля 7
9.2. Выбор смазки 256
9.3. Создание модификации станка модели М2005 для изготовления ламелей 260
9.4. Покрытие зубьев полотен искусственными алмазами 262
9.5. Замена подшипников качения 262
9.6. Выводы 263
Основные выводы 264
Литература
- Проблемы создания и эксплуатации лесопильного оборудования в рамках концепции жизненного цикла продукции
- Основные характеристики процесса лесопиления. Оценка технико-экономических показателей станка
- Виртуальная параметрическая модель станка в среде программного комплекса NX
- Оценка прочности и долговечности полосовых пильных полотен
Введение к работе
Актуальность темы
Повышение эффективности работы лесопильно-деревообрабатывающей
промышленности теснейшим образом связано с развитием комплекса машин, обеспечивающих реализацию основных этапов технологического процесса производства. Особое место при этом принадлежит лесопильным станкам, играющим главную роль в формировании размеров и качества пиломатериалов. В настоящее время в России большая часть пиломатериалов производится на лесопильных рамах с возвратно-поступательным движением пильных полотен. Широкое применение находят также круглопильные станки с круглыми или дисковыми пилами, а также лесопильные станки с лезвиями в форме замкнутой ленты-пилы.
Каждая из трех упомянутых выше конструктивных схем имеет свои достоинства и недостатки. Одновременно мы вынуждены признать факт наличия предела возможностей существенного совершенствования упомянутых основных схем распиловочного оборудования. Новые, экзотические способы обработки древесины, использующие струну, лазерный луч или струю воды под высоким давлением, в настоящее время не получили промышленного освоения.
Поэтому, важной задачей является разработка новых технических решений в области создания распиловочных станков, сохраняющих преимущества и исключающих недостатки существующего оборудования.
Простота и надёжность предлагаемой конструкции позволяет повысить основные показатели, среди которых следует особо выделить: высокое качество обработанных поверхностей; снижение энергопотребления; относительно малый вес станка и динамическая сбалансированность основных узлов; повышенная мобильность оборудования; способность вести распиловку тонкомерного леса, а также вести изготовление паркетной доски и ламели после замены валов пильного блока.
При этом необходимо отметить наличие сделанного первого шага в создании нового оборудования с перспективой его улучшения в части повышения производительности, снижения массы, уменьшения габаритов и понижения энергопотребления, а также новых научно-обоснованных инженерно-конструкторских и технологических решений.
Таким образом, актуальность работы определяется необходимостью решения важной прикладной научно-технической задачи, посвященной созданию нового типа оборудования, являющегося основой вариантов целевого назначения многопильного станка с круговым поступательным движением пильных полотен, показатели которого соответствуют, а по некоторым позициям опережают современный мировой уровень оборудования аналогичного назначения.
Цель и задачи исследований
Цель работы - создание лесопильного оборудования с круговым поступательным движением пильных полотен, так называемого, коленчатого станка (рис. 1), обеспечивающего динамическое уравновешивание пильного блока и отстройку резонансных частот пильных полотен за пределы рабочей зоны, для роспуска пиловочника на доски при малой металлоёмкости оборудования, простоте его обслуживания и низких энергозатратах.
С позиций современного развития науки об обработке лесоматериалов, используя новейшие достижения в области механики и численных методов расчёта, теоретически обосновать, спроектировать и довести до уровня опытно-промышленного образца новую конструкцию лесопильного оборудования с совокупными функциональными показателями, не уступающими современному мировому уровню.
Для достижения поставленной цели определены следующие задачи исследований.
1. Разработать конструкцию и создать
экспериментальный многопильный станок с
круговым поступательным движением
полосовых пил (пильных полотен).
Рисунок 1 - Принципиальная схема
коленчатого станка для распиловки бревен
и бруса
2. Выполнить теоретические
исследования условий резания, углов заточки
зубьев полосовых пил в зависимости от
эксцентриситета их кругового
поступательного вращения устойчивости, а
также прочности полосовых пил при
заданных условиях нагружения в пильном
модуле.
3. Провести теоретические и
экспериментальные исследования
динамических характеристик полосовых пил
(полотен) с учетом их геометрии и условий
натяжения на основе модели пластины.
4. Провести расчёт динамической балансировки пильного модуля в совокупности с
определением резонансных частот полотен при различных вариантах массовых параметров
шарнирных узлов и условиях их фиксации на подшипниковых узлах.
-
Разработать конструкцию и выполнить теоретические исследования условий функционирования подшипниковых узлов пильного модуля с учётом требований долговечности.
-
Разработать конструкцию пильного блока и его основных узлов в различных вариантах функционального применения (распиловка брёвен, двухкантного бруса, изготовление паркетных дощечек или ламелей).
-
Провести расчёт ресурса работы пильного блока с оценкой потерь мощности, затрачиваемой пильным блоком на холостом ходу при заданных условиях.
-
Выполнить экспериментальные исследования качества пиления, энергозатрат при пилении на станке брусьев в зависимости от высоты пропила, скорости подачи и пути резания.
9. Дать рекомендации по созданию и эксплуатации лесопильного станка нового типа.
На защиту выносятся
1. Обоснованная на высоком научном, теоретическом, проектном и технологическом
уровнях принципиально новая схема лесопильного станка (оборудования).
2. Виртуальная модель проектируемого оборудования, методология расчёта,
математические модели основных узлов и агрегатов проектируемого оборудования,
позволившие решить задачи анализа и синтеза нескольких модификаций многопильных
станков с круговым поступательным движением пильных полотен.
-
Конструкции основных узлов и агрегатов пильных модулей: подвижные узлы крепления и упругого натяжения пильных полотен в шарнирах, а также устройства динамической балансировки.
-
Технические решения, позволившие повысить эксплуатационные характеристики многопильного станка, одновременно обеспечив динамическое уравновешивание пильного блока (пильной рамки) и отстройку резонансных частот пильных полотен за пределы рабочей зоны.
-
Новые экспериментальные результаты, относящиеся к оценке функциональных характеристик разработанных моделей станков.
6. Опытно-промышленные образцы оборудования с круговым поступательным
движением пильных полотен, рекомендованные к серийному освоению.
7. Рекомендации по дальнейшему совершенствованию лесопильного оборудования,
выполненного по схеме «коленчатой» пилы.
Научная новизна На защиту выносятся следующие научные положения, обладающими признаками научной новизны:
-
Доказана, на основе комплекса новых научно-технических, технологических и схемных решений, возможность пиления древесины полосовыми пилами, совершающими круговое поступательное движение.
-
Созданы опытные образцы распиловочного оборудования нового поколения с круговым поступательным движением пильных полотен.
-
Получены соотношения для определения рациональных значений углов заточки и шагов зубьев в зависимости от величины подачи на оборот для конкретных условий кругового поступательного движения пильных полотен.
4. Предложен способ динамической балансировки станка с помощью
корректирующих масс, установленных в пильных модулях пильного блока.
-
Разработана численная методика отстройки из рабочей зоны резонансных режимов полосовых пильных полотен с учетом геометрических и физико-механических характеристик элементов конструкции.
-
Изучена взаимосвязь прогибов валов пильного блока и эксцентриситета вращения пильных модулей с частотами параметрических колебаний пильных полотен.
-
Предложен способ управления частотами колебаний пильных полотен за счет условий закрепления, обеспечивающих растяжение полотен с дифференцированным эксцентриситетом.
-
Теоретически обоснован и реализован в конструкции способ подвижной фиксации полотен в шарнирах пильных модулей, обеспечивающий заданные усилия натяжения посредством применения упругих элементов с нелинейной характеристикой жёсткости.
9. Разработана оригинальная конструкция впереди- и позадирамного устройства
фиксации и прямолинейной, непрерывной подачи заготовки в зону её распиловки и
прямолинейного отвода пиломатериала.
Методы исследования
-
При выборе направления исследования, оценке точности пиления древесины и расчёта сил резания применялись методы теории резания древесины.
-
При теоретических исследованиях жёсткости и устойчивости полосовых пил использовались классические методы теоретической механики, механики деформируемого твердого тела, теории машин и механизмов, технологии машиностроения и метрологии.
-
В основе математических методов и численных алгоритмов анализа, используемых при расчётах элементов и узлов станка были использованы:
Метод последовательных приближений (численно, явным методом Рунге-Кутта третьего порядка точности) положен в основу проектирования пильного модуля.
Метод конечных элементов (КЭ), используемый при расчётах определения динамических характеристик, напряжённого состояния, резонансных частот, как пильных полотен, так и пильного модуля в целом.
Методы инженерных расчётов, положенные в основу определения прогибов валов с защемленными концами, устойчивости тонкостенных полосовых деталей при их внецентренном растяжении, прочностных проверочных расчётов.
Метод динамического равновесия и динамической балансировки валов в сборе с эксцентриками.
- Метод статического пространственного равновесия при проектировании и
изготовлении верхнего шарнирного узла, а также нижнего шарнирного узла в сборе с
пильным полотном.
Расчеты выполнялись с использованием программных комплексов АРМ WinMachine, математических пакетов MATLAB и Mathematica с параллельным расчётом в программном комплексе Wolfram Mathematika, а также ANS YS (МКЭ) и NX.
-
Полученные аналитические зависимости проверялись с использованием метода конечных элементов (программы ANSYS и NX).
-
Обработка экспериментальных данных проводилась с использованием методов математической статистики.
Обоснованность и достоверность результатов подтверждается При проведении диссертационных исследований были использованы законы и уравнения классической механики, математики, теории измерений, а также методы аппроксимации, метод конечных элементов, динамометрические исследования и исследования технологических показателей качества обработанных поверхностей пиломатериалов. Для экспериментальных исследований использовались стандартные и специально разработанные методы, осуществляемые на созданных экспериментальных стендах с помощью верифицированных стандартных приборов, устройств и элементов. Достоверность результатов обеспечивается:
1. Корректностью математической постановки задачи и аргументированностью
принятых допущений при теоретических исследованиях.
-
Использованием классического математического аппарата и современных методов теоретической механики, механики деформируемого твердого тела, теории машин и механизмов, технологии машиностроения и метрологии при теоретических исследованиях.
-
Согласованием теоретических положений и численных расчётов с результатами экспериментальных исследований, проведённых при проектировании и испытаниях созданных моделей лесопильного оборудования.
4. Сходимостью результатов теоретических и экспериментальных исследований.
Практическая значимость работы
-
По итогам работы спроектированы и созданы опытно-промышленные образцы лесопильного оборудования нового поколения с круговым поступательным движением полотен для распиловки брёвен и двухкантного бруса, а также тонкомера (вершинника) и пиловочника т.н. сорных пород.
-
Практическая ценность созданного лесопильного оборудования заключается в энергосбережении при распиловке, при изготовлении самого оборудования (малая металлоёмкость), а также при реализации использования лесных ресурсов в труднодоступных районах с малым автономным энергопотреблением и одновременно высокими потребительскими качествами пиломатериала.
-
Опыт практического использования пилотных образцов станков М2001 и М2005 позволяет сделать вывод о правильности предлагаемых решений. Созданные модификации «коленчатого» станка являются эффективными и экономически выгодными для использования на предприятиях малого лесопиления.
4. Показано, что годовой экономический эффект от продвижения (внедрения)
предложенных моделей станка (модели М2001 и М2005) по сравнению с образцами-
аналогами (Р63-4Б, РМ-50 и их аналогами) и, по предварительным оценкам, может составить
от 20% до 50%.
5. Ряд положений диссертационной работы, представляющих научную и методическую ценность, излагается в учебных курсах для студентов МГТУ им. Н.Э. Баумана. Представленные материалы могут быть использованы при подготовке специалистов для лесопильно-деревообрабатывающих предприятий.
Ценность научных работ соискателя
В диссертационной работе поставлена цель: с позиций современного развития науки об обработке лесоматериалов, используя новейшие достижения в области механики и численных методов расчёта, теоретически обосновать, спроектировать и довести до уровня опытно-промышленного образца новую конструкцию лесопильного оборудования с
совокупными функциональными показателями, не уступающими современному мировому уровню.
Ценность работы заключается в создании современного лесопильного оборудования с круговым поступательным движением пильных полотен - коленчатого станка, предназначенного для роспуска пиловочника на доски, которое обеспечивает динамическое уравновешивание движущихся частей станка, отстройку резонансных частот пильных полотен за пределы рабочей зоны, при малой металлоёмкости оборудования, простоте его обслуживания и низких энергозатратах.
Личное участие автора состоит в доведении до практического использования идеи коленчатого станка, разработке принципиальных и расчётных схем механизмов, разработке методик расчетов основных узлов и их испытаний, а также в создании всей конструкции станка с использованием современных научных способов проектирования. Автором найдены новые конструкторские решения, защищенные четырьмя патентами на изобретения, позволившими решить основные научные и технические задачи при разработке и испытании представленного модельного ряда коленчатого станка.
Автором созданы оригинальные, не имеющие мировых аналогов станки М2001 и М2005, предназначенные для распиловки брёвен и бруса. Станок модели М2005 является усовершенствованным вариантом модели М2001. Помимо функциональных возможностей предыдущей модели, станок позволяет производить дощечки или ламели с толщинами 4-6 мм, а также обеспечивать подачу поверхностно-активного вещества непосредственно в пропил для удаления смолистых веществ из межзубовых впадин непосредственно в процессе распиловки.
Апробация работы
Основные положения и практические результаты работы докладывались и обсуждались в 1999-2014 г. г. на ряде научных конференций, научно-технических семинарах, производственно-технических совещаниях, в том числе: на Международной конференции стран СНГ «Молодые учёные - науке, технологиям и профессиональному образованию для устойчивого развития: проблемы и новые решения», г. Москва, 2000 г.; на VI Международном семинаре "Современные проблемы прочности" им. В.А. Лихачева, г. Старая Русса, 2003 г.; на IV Международной научно-практической конференции «Участие молодых учёных, инженеров и педагогов в разработке и реализации инновационных технологий», г. Москва, 2003 г.; на IV конференции пользователей программного обеспечения CAD-FEM GmbH, г. Москва, 2004 г.; на IV Международной научно-практической конференции «Механизмы внедрения новых направлений науки и технологий в системы образования», г. Москва, 2004 г.; на научно-технических семинарах кафедры «Прикладная механика» МГТУ им. Н.Э. Баумана в 2001 и 2005г.г. и научно-технических конференциях Московского государственного университета леса в 2002 г., а также на международной конференции «МАШИНЫ, ТЕХНОЛОГИИ И МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ СОВРЕМЕННОГО МАШИНОСТРОЕНИЯ», посвященной 75-летию Института машиноведения им. А.А. Благонравова РАН, 21 ноября 2013 года, где был заслушан и обсуждён доклад: Многопильная «коленчатая» пила - новые тенденции в деревообрабатывающем станкостроении; 08 октября 2014 года в Московском государственном университете леса был заслушан и обсуждён доклад «Создание лесопильного оборудования с круговым поступательным движением пильных полотен, обеспечивающего динамическое уравновешивание пильного блока и отстройку резонансных частот пильных полотен за пределы рабочей зоны».
Опытно-промышленный образец многопильного станка «Шершень», модели М2001 экспонировался на 10-й юбилейной международной выставке «ЛЕСДРЕВМАШ-2004», где был награжден Дипломом.
Публикации
По материалам диссертации опубликовано тридцать шесть печатных работ, в том числе одиннадцать в журналах по списку ВАК, три патента на изобретения и положительное решение ФИПС о выдаче патента на изобретение «Пильный модуль, пильный блок и устройство для распиловки».
Структура и объем работы
Диссертация состоит из введения, 10 глав, заключения (основные выводы), списка литературы и приложений. Текстовая часть работы, включая рисунки и таблицы, изложена на 284-х страницах и содержит 120 рисунков и 45 таблиц. Список литературы содержит 175 наименований, в том числе 15 на иностранных языках. Приложения к диссертации представлены на 29 страницах.
Проблемы создания и эксплуатации лесопильного оборудования в рамках концепции жизненного цикла продукции
Поскольку существует необходимость сокращения издержек на транспортные перевозки, электроэнергию при распиловке древесины, иных издержек за счёт различных мероприятий организационного и технологического характера, необходимо, хотя бы коротко, посмотреть на тенденции развития лесопильных пилорам.
Первые упоминания о механизированной распиловке бревен в России на водяных и ветровых пильных мельницах относятся к концу XVII века. Тогда и появились прототипы лесопильных рам.
Но и в настоящее время на наших предприятиях активно работают станки этого типа, осуществляющие продольную распиловку древесины при помощи нескольких полосовых пил, натянутых в пильной рамке, совершающей возвратно-поступательные движения. Наибольшее распространение получили вертикальные лесопильные рамы. В свою очередь они подразделяются на высокопроизводительные двухэтажные рамы (перерабатывающие до 100 м лесоматериала в смену) и одноэтажные (производительностью до 20 м в смену). Последние могут выполняться для специальных целей: коротышовые -для распила коротких бревен и брусьев от 1 м, тарные - для производства дощечки пилами толщиной 1 мм и передвижные лесопильные рамы.
В СССР ведущими фирмами по производству данного типа оборудования являлись российские изготовители: Даниловский завод деревообрабатывающих станков из Ярославской области (E-mail :drevmash@ narod.ru) и Новозыбковский станкостроительный завод из Брянской области (E-mail: skala@online.debrvansk.ru). Эти предприятия, выпускающие, в основном, одноэтажные рамы, смогли до настоящего времени сохранить на отечественном рынке свои позиции. О стабильности спроса и качестве оборудования свидетельствуют их многочисленные дилеры АО "Чурак ЛТД", "КАМИ-Агрегат", ООО "Славянский двор-М" и ЗАО "ДАКТ" из Москвы, ООО "ПЦФ-Мастер" и ООО "ПК Капитал-Фи- нанс" из Санкт-Петербурга, ООО "Проектсервис" из Екатеринбурга, ООО "БЕЛУК" и ПКФ ТЕХСИС из Беларуси и другие.
Впрочем, в оценке предлагаемых отечественных лесопильных рам, можно столкнуться с противоположными мнениями.
"Существующие лесорамы типа Р63-4Б требуют повышенных энергозатрат, практически не дают необходимой точности и качества поверхности; ленточнопилъное оборудование оказалось капризным в эксплуатации и малопроизводительным; круглопилъные станки не в состоянии пилить брус толщиной более 150 мм и являются нерентабельными для большинства предприятий с производительностью менее 50 куб. метров сырья в смену - рисует состояние рынка лесопильных станков российский журнал "Оборудование ".
"Пилорама помимо преимуществ, заключающихся в достаточно малой (по сравнению, например, с круглыми пилами) ширине пропила и стабилизирующем действии натянутых пилъных полотен в пильной рамке, имеет ряд принципиальных недостатков, резко снижающих эффективность производства: низкий процентный выход пилопродукции, обусловленный поточной однопроходной распиловкой несортированного по диаметру круглого леса; низкое качество пропиленных поверхностей из-за крайне низкой скорости резания пилъных полотен, а также значительные вибрации, связанные с работой кривошипно-шатунного механизма; высокая энергоемкость; значительные капитальные затраты, вызванные необходимостью сооружения массивного фундамента", - уточняет украинский журнал "Wood Business".
А вот и противоположное мнение. "Применение простых рекомендаций позволяет получить очень качественные пиломатериалы на отечественных лесопильных рамах. Не вкладывая в производство никаких дополнительных инвестиций, исключительно применяя организационные мероприятия, Вы сможете производить пиломатериалы с точностью 0,2 мм, - отмечал директор ПКФ ВВК-С из Минска г-н В.И. Вересковский. А применение пил с зубьями из стеллита "сокращает простои на замену затупленного инструмента и экономит до 20% электроэнергии". (WN опубликовала практические рекомендации по повышению эффективности пиления на лесопильных рамах в марте 2001 г.).
"В настоящее время не все возможности совершенствования лесопильных рам исчерпаны. Например, последние исследования показали, что целесообразны изменения угловых параметров зубьев рамных пил до оптимальных величин, внедрение качающихся пильных рамок, переход к шарнирной установке пильной рамки в станине и отказ от ползунов. Кроме того, появилась возможность уменьшения возвратно-перемещаемых масс, например, путем изготовления пильной рамки из титановых сплавов", - журнал "Деревообрабатывающая промышленность" (Россия).
Анализируя ситуацию в данном типе отечественного пильного оборудования и сравнивая основные характеристики (просвет и ход рамки, частота вращения вала, подача на один оборот вала, установленная мощность) лесопильных рам 20-летней давности (Р63-4А, РК63-1, РПМ, РТ-36) и современных, можно найти лишь небольшие различия - процентов 10-15 в параметрах.
Возникает такое впечатление, что в течение двух десятилетий конструкторские отделы ведущих предприятий России просто не существовали. Сравните тенденции ведущей выставки деревообрабатывающего оборудования Европы - ганноверской LIGNA: каждые два года на выставке 30% оборудования имеют новые технические и технологические решения.
Теперь давайте представим себе возможные варианты развития лесопильных пилорам. В первую очередь - это использование современного инструмента.
Затем, перспективным можно считать направление совершенствования организации производства. "На большинстве предприятий применяются рамные пилы только одного шага, но распиливаются ими бревна различных диаметров. Несоответствие шага пил высоте пропила может привести к снижению производительности лесопильной рамы до 20% или к значительному ухудшению качества пиломатериалов. Предприятия заказывают пилы одного шага, хотя ГОСТ5524- 75 предусматривает выпуск рамных пил четырех шагов. Рамные и ленточные пилы часто выходят из строя из-за недостаточной усталостной прочности. А ведь одно только правильное оформление межзубовых впадин, дополняемое последующей их подшлифовкой, обеспечивает повышение прочности и долговечности пил на 30-40%. Рамные пилы недостаточно устойчивы, и на предприятиях для повышения точности пиления идут на натяжение пил выше нормы - что приводит к поломке пил, захватов и поперечин пильных рамок, а также на применение толстых пил -что приводит к возрастанию отхода древесины в опилки и энергозатрат на пиление. Установка межпилъных прокладок (в соответствии с высотой пропила) и пил с оптимальной величиной эксцентриситета линии натяжения обеспечивает улучшение устойчивости пил и точности пиления на 30- 40%". (Журнал "Деревообрабатывающая промышленность", № 6, 2000).
Основные характеристики процесса лесопиления. Оценка технико-экономических показателей станка
Принятая конструкция верхнего шарнирного узла, обеспечивающая натяжение 3-х пильных полотен, имеет только два штифта, каждый из которых может принимать участие в натяжении или одного полотна или двух.
При обычной установке в пильный модуль 3-х полотен одно из них подвергается натяжению с двойным усилием натяжения полотен. Чтобы усилия натяжения полотен в каждом пильном модуле находились в поле допуска и были равнозначны, необходимо решить задачу независимого натяжения одного полотна от натяжения 2-х других.
Для этого пильные полотна в верхней части имеют смещённые отверстия под установку натягивающих штифтов. Смещения отверстий на пильных полотнах таковы, что сначала натягиваются два полотна и позже третье - одно (среднее), что и обеспечивает равные значения усилий натяжения всех 3-х полотен. Конструкция полотен для одновременной установки в каждый пильный модуль по 3 полотна представлена на рис. 4.7 и 4.8.
Конструкция полотна для установки по центру в каждый пильный модуль по 1-му полотну, в случае снабжения каждого шарнирного узла 3 -мя пильными полотнами Рисунок 4.8 - Конструкция полотна для установки по краям в каждый пильный модуль по 2 полотна, в случае снабжения каждого шарнирного узла 3 -мя пильными полотнами
Размеры посадочных отверстий в верхней части полотен выполнены с учётом равнозначности усилий натяжения каждого полотна в пильном модуле при расчётной жесткости упругих элементов.
Необходимо отметить следующую особенность установки пильных полотен в пильных модулях. Конструкция полотна, представленная на рис. 4.8 предназначена для установки по краям, а конструкция полотна, представленная на рис. 4.7 предназначена для установки в центре (середине) крепёжного узла верхнего шарнира (внимание - на крепёжные отверстия с правой стороны).
В этом случае общее натяжение в одном пильном модуле может равняться усилию 3000 Н, но при этом каждое полотно будет натянуто с усилием близким по значению 1000 Н ±100 (10%).
Как было определено ранее под шарнирным узлом крепления верхнего или нижнего конца пильного полотна подразумевается узел пильного модуля, расположенный соответственно на нижнем или верхнем эксцентрике вала пильного блока, который имеет необходимые элементы его крепления. Каждый шарнирный узел снабжен устройством, позволяющим изменять положение его центра масс в определенных пределах при установке в пильный модуль второго пильного полотна, т.е. обладает корректирующей массой. Между нижним и верхним шарнирными узлами расположено пильное полотно. В нижнем узле крепления полотно фиксируется шарнирно непосредственно на эксцентрике шлицевого вала. Крепление пильного полотна в верхнем шарнирном узле осуществляется более сложным образом. Верхний узел снабжен устройством подвижной фиксации, в состав которого входят специальные упругие элементы, обеспечивающие компенсацию сборочных зазоров и теплового расширения.
Проектирование и последующее изготовление элементов пильного блока, пильного модуля и их деталей проводилось на основе принципа взаимозаменяемости. Селективный отбор для последующей установки пильных полотен в определенной позиции не планировался. Вследствие неизбежных технологических погрешностей при изготовлении и сборке одноимённых узлов расстояние между верхними и нижними точками крепления пильных полотен может варьироваться в пределах заданного поля допусков. Важно также отметить то обстоятельство, что в рабочих режимах при взаимодействии полотен с пиловочником пильные полотна нагреваются неравнозначно, т.е. имеют различные температуры, отличающиеся на величины до 100 градусов по Цельсию и более. Весьма существенно на тепловой режим полотен влияют также теплообменные процессы, происходящие в шарнирных узлах крепления, а более конкретно - в подшипниковых узлах. Подшипниковые узлы [25, 120, 121, 122], следует отнести к одним из наиболее нагруженных узлов станка.
Рабочая температура подшипников находится в зоне 100 С ± 10 С. Процесс работы подшипников сопровождается выделением значительного количества тепла. Все вышеуказанные причины приводят к неравномерному нагреву пильных полотен. Неравномерный нагрев, в свою очередь, вызывает как градиент температурного расширения по длине отдельного полотна, так и различное интегральное изменение длин соседних полотен.
В работе предложена оригинальная конструкция для компенсации увеличения длины пильных полотен. При этом осуществляется эффект создания и поддержания определенных величин усилий начального натяжения, которые играют первостепенную роль в обеспечении устойчивых режимов работы пильных модулей и, соответственно, пильных полотен. Как уже отмечалось в настоящей главе, различие в величинах усилий натяжения пильных полотен соседних пильных модулей оказывает существенное влияние на динамические характеристики, как отдельных полотен, так и станка в целом. Возникновение нежелательных резонансных режимов, как правило, приводит к аварийной ситуации или функциональному отказу по критерию работоспособности конструкции.
Для решения вышеуказанной задачи, в рамках классических теоретических положений механики деформируемого твердого тела, был проведен численный анализ, позволивший промоделировать процесс статического и динамического деформирования элементов шарнирных узлов на ПК. С учетом полученных результатов был разработан специальный механизм регулировки натяжения пильных полотен.
В конструкцию верхнего шарнирного узла было целенаправленно включено устройство подвижной фиксации пильного полотна. В соответствии с конструктивным решением непосредственное крепление каждого пильного полотна осуществляется с помощью двух пальцев и 4-х упругих элементов. Каждый упругий элемент имеет форму скобы (рис. 4.9).
Виртуальная параметрическая модель станка в среде программного комплекса NX
В соответствии с условиями постановки задачи данного раздела, по определению частотных характеристик пильных полотен в составе пильного модуля, исследования велись и для полотна со свободной длиной 350 мм. Этот размер полотна является максимальным для станков второго ряда при распиловке бруса на доски шириной не более 275 мм, а также для распиловки брёвен с диаметром до 280 мм.
Для полноты картины были проведены расчёты, аналогичные предыдущим, но для полотен со свободной длиной 350 мм. Конечно-элементные модели разных условий натяжения верхней части пильного полотна представлены на рис. 5.17. Результаты расчёта представлены в таблице 5.11. Характерным является факт значительного снижения частот собственных колебаний для полотен большей длины, но равной величины дифференцированного эксцентриситета и усилий их натяжения. Две первые формы собственных колебаний пильных полотен со свободной длиной 350 мм при нагрузке F0 = 1500 Н по линии межзубовых впадин представлены рис. 5.18.
Изменения собственных частот пильных полотен со свободной длиной 350 мм в зависимости от условия растяжения пильного полотна при нагрузке F0 = 1500 Н, как наиболее опасной, представлены таблицей 5.12 и графиком рис. 5.19.
Особенности изменения динамических характеристик пильного полотна при дифференцированном эксцентриситете его растяжения
Представленные расчёты показывают, что для полотна со свободной длиной 350 мм, смещение линии растяжения верхней части полотна на 20 мм (Z=25%) увеличивают собственную частоту полотна: - на 13,9 % при усилии растяжения F0 = 1000 Н (увеличение по числу оборотов в минуту с 3000 до 3360); и на 27,7% - при усилии растяжения F0 = 1500 Н (увеличение по числу оборотов в минуту с 2748 до 3516).
Это означает, что задача значительного повышения производительности станка с круговым поступательным движением пильных полотен может решаться с учётом особенности процесса резания и выноса продуктов резания из области распила, при смещении величины эксцентриситета растяжения по длине полотна (при дифференцированном эксцентриситете растяжения). По результатам предыдущих расчётов были скорректированы рабочие чертежи пильных полотен, со свободной длиной 250 и 350 мм, для дальнейшего проектирования (рис. 5.20) с целью обеспечения дифференцированного эксцентриситета растяжения полотна.
Реализуя принципиальную схему пильного модуля, представленную на рис. 5.4, была разработана технология статической балансировки пильного модуля станка «Шершень» модели М2005, заключающаяся в следующем.
Центр масс верхнего шарнирного узла с подвижным механизмом фиксации и натяжения пильного полотна, в рабочем положении, приводится в точку вращения своего подшипникового узла. Верхний шарнирный узел в сборе представлен на рис. 5.21.
Центр масс нижнего шарнирного узла с элементами крепления и самим полотном, в рабочем положении, также приводится в точку вращения своего подшипникового узла. Реализация технологии балансировки определена приложением к сборочным чертежам шарнирных узлов пильного блока. Необходимо отметить, что при балансировке, верхний шарнирный узел в сборе устанавливается последовательно на прямолинейные ножи толщиной не более 0,5 мм по выборкам И -И , Л -Л (рис. 5.21). При этом должно обеспечиваться равновесие аналогичное рычажным весам. В случае изготовления деталей шарнирных узлов на станках с программным управлением проведение балансировки возможно не понадобится.
Необходимо отметить, что во время работы станка, вращающиеся шарнирные узлы приобретают гироскопическую составляющую в дополнение к своим динамическим характеристикам.
Поскольку круговое поступательное движение является характерным для любой точки пильного модуля, то и центр масс каждого шарнирного узла осуществляет круговое движение или вращение по кругу с радиусом равным эксцентриситету вращения. Учёт гироскопического момента каждого шарнирного узла в данной программе расчёта резонансных колебаний пильных полотен не представляется возможным. Однако гироскопический момент оказывает своеобразное влияние, препятствующее отклонению каждого шарнирного узла от плоскости их вращения или иначе, - на отклонения шарнирного узла в виде поперечных или крутильных колебаний.
Оценка прочности и долговечности полосовых пильных полотен
Однако, в связи с нестандартным видом поперечных и иных колебаний полотен сложной формы, использование стробоскопа оказалось непригодным. В резонансном режиме полотна выходили из плоскости их наибольшей жёсткости и как бы расплывались в своём оптическом образе.
Попытки регистрации стробоскопом момента перехода стабильного движения полотен в резонансное (рис. 8.8) колебание полотен не дали положительного результата. Попытки зафиксировать момент возникновения колебаний полотен 1-й формы контактным способом также оказались бесплодными.
Поэтому был предложен оптический метод, использующий отражённый луч света для определения момента возникновения резонансных частот пильных полотен, представленный на рис. 8.9. Он заключается в регистрации резонансных и иных колебаний пильного полона(тен) на холостом ходу с помощью отражённого луча от плоскости вращающихся полотен. При этом испытания велись в затемнённом помещении.
Принципиальная схема регистрации резонансных колебаний пильного полотна(тен) с помощью отражённого луча на холостом ходу. Вид сверху. 1 - пильные полотна, 2- источник светового луча, 3 - регистратор отражённого луча (например - глаз), - угол поворота пильного полотна при резонансных поперечных, крутильных колебаниях или колебаниях иного вида
Как показано на рис. 8.9 (вид сверху), источник света (2), находящийся на расстоянии 5...6 метров от установки, освещает боковые поверхности полотен (1). Боковые поверхности имеют ровную плоскость, высокую чистоту обработки (полированные) и необходимую отражательную способность. Отражённый от полотен луч попадает в регистрирующий орган (3), который представляет собой, в данном случае, глаз регистратора (испытателя). При круговом поступательном движении полотен, без отклонения их от плоскости вращения, отражённый луч спокоен и устойчив по мощности. В случае возникновения каких-либо колебаний, в плоскости перпендикулярной плоскости полотна, отражённый луч отклоняется на угол , от первоначального направления. Регистратор это системное отклонение видит как дрожание отражённого луча.
На небольших частотах вращения валов наблюдался обычный режим работы установки без поперечных колебаний полотен (рис. 8.10). Проверка станка в ходе натурных испытаний при распиловке бруса и брёвен из древесины различных пород
Испытания многопильного станка «Шершень» проводились в период с 2001 по 2002 год на предприятии «Комиэнергопром», Республика Коми, а также на производственной базе ОАО ИОЗ «Углемаш» (г. Истра Московской области) в период с 06.07.04 по 20.12.07. Испытания станков проводились распиловкой деревянных брусьев хвойных пород различных типоразмеров с целью практического определения резонансных и иных режимов колебаний полотен, оценки точности распиловки, частоты обрабатываемой поверхности, а также - производительности.
Определение начала резонанса во время пиления могло и приводило к уводу пильных полотен и остановке станка, но не давало чёткой картины поведения исследуемых полотен. Тестовая распиловка деревянной заготовки (рис. 8.11, 8.12, 8.13) проводилась после монтажа экспериментальной установки в механизм подачи, что в совокупности составило станок модели М2001.
Двухкантный брус устанавливался на направляющие и зажимался между подающими верхними и нижними вальцами. Скорость подачи и частота вращения валов с полотнами регулировались отдельно, что позволяло подбирать для каждого типа древесины оптимальные режимы работы. Частота вращения валов в данном эксперименте была выбрана порядка 1500 об/мин, для того чтобы обеспечить минимальную эффективность станка и не выйти на резонансные режимы работы. В процессе резания была кратковременно повышена частота вращения валов до 1600 об/мин. Результатом явились нарушения прямолинейности пропилов, изменение толщины пропилов, увеличение вибрации основания станка. Характерные результаты испытаний представлены в таблице 8.2а и 8.26.
Полотна изготовлены из сырого материала марки 65Г, зубья полотна снабжены стеллитом в виде лопаточки с параллельными режущими кромками Ниже представлены результаты экспериментальных исследований энергозатрат и качества пиления древесины на экспериментальном лесопильном станке (рис. 8.14) с полосовыми пилами, совершающими круговое поступательное движение.
Методическая сетка опытов приведена в таблице 8.3. Характерные результаты исследований качества пиления древесины и энергозатрат на лесопильном станке даны в табл. 8.4. За оценочный показатель точности пиления принята разнотолщинность досок, оцениваемая среднеквадратическим отклонением s и полем рассеяния 6s. Зависимости толщины hd и разнотолщинности досок от высоты пропила h, а также величины подачи на оборот А, приведены соответственно на рис. 29 и 30. Во всех опытах поле рассеяния толщины досок не превышало 0,81 мм при поле допуска 3,0 мм.