Содержание к диссертации
Введение
1 Состояние вопроса. Обоснование коррекции геометрических параметров и применения лазерной термообработки 8
1.1 Характеристика усыхающих древостоев Архангельской области 8
1.2 Характеристика сухостойной древесины 12
1.3 Характеристика рубительных машин 14
1.4 Теоретический анализ резания древесины в рубительных машинах 19
1.4.1 Расчет геометрических параметров щепы 25
1.5 Традиционная термическая обработка ножей рубительных машин 29
1.6 Лазерная термическая обработка (ЛТО) 30
1.7 Требования к материалу ножей для эффективной переработки сухостойной древесины 33
1.8 Возможности коррекции геометрии режущей кромки ножей рубительных машин с целью повышения их износостойкости при
переработке сухостойной древесины 34
1.9 Постановка задачи исследования 36
2 Выбор режимов лазерной термической обработки (ЛТО) ножей рубительных машин для переработки сухостойной древесины 38
2.1 Материалы и методики исследования 39
2.1.1 Характеристика объекта исследования 39
2.1.2 Описание установки ЛТО «Квант-15» 40
2.1.3 Разработка моторизованного приспособления для ЛТО ножей рубительных машин 43
2.1.4 Подготовка объектов для ЛТО 45
2.1.5 Подготовка объектов к испытаниям после ЛТО 46
2.1.6 Выбор постоянных и переменных факторов эксперимента 46
2.1.7 Оценочные показатели и методы их измерения 48
2.1.8 Объем, содержание и последовательность проведения опытов 51
2.1.9 Обработка результатов опытов 53
2.2 Результаты исследований 56
2.3 Выводы 64
3 Оценка эксплуатационных свойств ножей рубительных машин для переработки сухостойной древесины после ЛТО 65
3.1 Оборудование и методики оценки эксплуатационных свойств ножей рубительных машин после ЛТО 66
3.2 Результаты оценки эксплуатационных свойств ножей рубительных машин после ЛТО 72
3.3 Выводы 74
4 Оценка влияния влажности сухостойной древесины на ее прочность на скалывание вдоль волокон 75
5 Коррекция угла заточки (угла при вершине) режущей кромки ножа рубительной машины и оценка ее эффективности при обработке сухостойной древесины 80
5.1 Оценка влияния угла заточки режущей кромки ножа рубительной машины на качество щепы при переработке сухостойной древесины 80
5.2 Влияние угла заточки на потребляемую мощность рубительной машины при переработке сухостойной древесины 82
5.3 Влияние угла заточки режущей кромки ножей рубительных машин на уровень износа (радиус закругления) и выкрашиванием лезвий
при обработке сухостойной древесины 83
5.4 Выводы 84
6 Экономическое обоснование внедрение лазерной термообработки
ножей рубительных машин 85
7. Выводы и рекомендации 92
Список использованных источников 94
- Характеристика рубительных машин
- Описание установки ЛТО «Квант-15»
- Оценка влияния влажности сухостойной древесины на ее прочность на скалывание вдоль волокон
- Влияние угла заточки на потребляемую мощность рубительной машины при переработке сухостойной древесины
Характеристика рубительных машин
Процесс усыхания сопровождается поражением ствола и других частей усыхающего дерева различными пороками. Гибель дерева наступает внезапно и скоротечно; опавшая хвоя имеет зеленую окраску, что свидетельствует о высокой скорости ее отмирания. Древесина погибшего дерева интенсивно разрушается; происходит поражение различными грибными болезнями. Со временем древесина приобретает рыхлую структуру. Усохшие деревья через короткий промежуток времени после их гибели вываливаются ветром в валежник и окончательно разрушаются. Важными отличительными особенностями процесса усыхания являются также облом вершинной части дерева (примерно треть усохших деревьев), смолочение, наличие большого количества ветровальных и буреломных экземпляров в усыхающей куртине. Отмечается также обширный отпад хвои, снижение влажности погибших стволов до 24-28 %, наличие продольных трещин по длине ствола на глубину 10-40% радиуса, вызванных его неравномерной усушкой, поражение деревьев грибами синевы на глубину 10…50 мм.
При осмотре партии хлыстов, поступающих в раскряжёвку из Верхнетоемского и Выйского лесхозов, отмечалось наличие наружной трухлявой гнили, заболонной гнили, ядровой гнили, боковых трещин от усушки, червоточин, грибов синевы.
Усохшая древесина изменяет свои физические свойства, причем эти изменения тем значительнее, чем больше времени прошло с момента смерти дерева. Из древесины улетучиваются смоляные и жирные кислоты, терпены, уменьшается содержание пентозанов, повышается содержание веществ, растворимых в щелочи и горячей воде, происходит образование кислых продуктов и снижение рН экстракта древесины с 3,8 до 4,6.
Мнения о причинах усыхания древостоев различны и дискуссионны. Их условно можно разделить на три группы. Ряд исследователей считают, что усыхание древостоев является естественным процессом, обусловленным особенностями жизненного цикла лесной экосистемы. Основными причинами усыхания сторонники этой теории называют смерть дерева от старости, что частично подтверждается наиболее интенсивным усыханием глубоко перестойных и великовозрастных деревьев, а также срабатывание природного механизма ограничения перенаселения экосистемы. Критическим возрастом еловых насаждений зоны усыхания, по их мнению, следует считать 180-200 лет.
Приверженцы второй группы утверждают, что увеличение количества усыхающих деревьев обусловлено естественными климатическими и биотическими причинами – засухой 2001-2003 годов и, как следствие, ослаблением корневой системы деревьев, расселением короедов на здоровые деревья, глобальными изменениями климата, чередованием периодов засушливого лета и снежной холодной зимы, аномальными зимними оттепелями.
По мнению третьих, основная причина усыхания древостоев в лесах области – это губительное антропогенное воздействие на них. Н.П. Залывский в своей статье «Социально-экономическая и экологическая мотивация сокращения ареала сухих ельников» пишет: «Перечень причин усыхания может быть длинным, но всех их следует назвать «детьми» противоестественной практики антропогенного вандализма и хищнического хозяйствования, сопровождающих столетнюю историю управления индустриальным становлением Европейского Севера России». Определяющим негативным фактором, с этой точки зрения, является действующая технология ведения рубок. Выборочные рубки, в ходе которых из древостоя отбираются наиболее жизнеспособные экземпляры, нарушают экологическое равновесие в данной экосистеме; естественный отбор лишается своего природного характера, что, по истечении некоторого времени, приводит к общему снижению иммунитета древостоя. При проведении рубок с соблюдением сроков примыкания деструктивное действие ветров, нарушение гидрологического режима испытывают лесосеки, оставленные на сроки примыкания для обсеменениия вырубленных сплошными рубками делянок. Нарушение санитарной безопасности в лесах, ведение кулисных вырубок, прокладка линейных объектов также являются факторами, повышающими риск усыхания древостоя. Нельзя не отметить возможность существования негативного влияния на природное равновесие в лесах области изменения общего экологического фона, вредных выбросов при запуске ракет с космодрома Плесецк и др.
В 2011 году НИИ Леса Финляндии (METLA) опубликовал результаты своих исследований очага усыхания ельников на территории Архангельской области. Основными причинами усыхания в отчете были названы исключительные засухи 1999 14 2001 годов, что привело к ослаблению деревьев и обширному заселению древостоев короедом - типографом. Отмечается также, что, в связи с последними изменениями климата, последующие летние засухи могут оказать еще более губительное воздействие на ельники Архангельской области и, в целом, северной Европы (2011).
Тем не менее, ни одна из перечисленных теорий о причинах интенсивного усыхания лесов не может рассматриваться как единственно верная. Большинство специалистов, работавших над этой темой, сходятся во мнении что к существующей ситуации привела совокупность всех или почти всех вышеуказанных факторов с преобладанием того или иного в большей или меньшей степени.
Помимо очевидного вреда лесной экономике, массовое усыхание ельников влечет за собой такие проблемы , как лесопожарную , экологическую и социальную.
Учитывая отмеченные выше качественные изменения структуры лесного фонда, встает вопрос об использовании соответствующей технологии переработки древесины усыхающего леса, в частности, получения из нее технологической щепы различного назначения [2].
Описание установки ЛТО «Квант-15»
На ножах в отличие от резцов изнашивается только центральная часть, но затачивается нож по все длине, т.е. металл снимается со всей длины. Древесная щепа различного назначения производится на рубительных машинах, использующих лезвийный инструмент – ножи или резцы с острозаточенной рабочей кромкой. Угловые параметры этого инструмента определяют как качество производимой щепы, так и энергетические затраты на ее производство. Изменение физико-механических свойств усыхающей древесины требует корректировки и уточнения параметров режущего инструмента с целью получения технологической щепы с требуемыми качественными показателями при минимальном энергопотреблении технологического процесса ее производства. Современная гамма рубительных машин разрабатывалась и используется для переработки здоровой древесины со стабильными физико-механическими свойствами. Определены и апробированы на практике основные параметры загрузочных устройств машин, оптимальные угловые параметры направления подачи древесного материала к направлению резания, габаритные размеры и кинематические характеристики рабочих органов машин различной производительности. Эффективность производства технологической щепы определяется производительностью процесса ее производства – количеством продукции надлежащего качества, получаемой в единицу времени при минимальных затратах. Значительную долю этих затрат определяет подготовка и эксплуатация дереворежущего инструмента рубительных машин – рубительных ножей. Подготовка ножей к работе заключается в их правке и заточке на специализированном заточном оборудовании – полуавтоматических станках для заточки ножей. Эта операция выполняется по мере затупления инструмента в среднем через 8...12 часов работы в летний период эксплуатации, и через 2...3 часа – зимой и занимает 3...4 мин на один нож [16,17]. Интенсивность затупления зависит от многих факторов: породы древесины, ее термовлажностного состояния, вида резания, материала инструмента, места установки на диске, твердости материала ножа. Среднее время на замену рубительных ножей в машине составляет более 20 мин, что в значительной мере снижает эффективное время работы оборудования и его производительность.
Теоретический анализ процесса резания в рубительных машинах Согласно требованиям технологии производства и характером исходного сырья древесину измельчают методом торцевого резания. В качестве режущего органа рубительной машины может быть как нож, так и резец, требования, предъявляемые к ним идентичные за исключением размеров.
В дисковых рубительных машинах резание происходит под одинаковым углом к плоскости диска и при постоянных соотношениях режимов резания и затягивания древесины к ножам независимо от ее толщины. Вследствие этого щепа, полученная в дисковых машинах, имеет практически одинаковое направление среза по сравнению со щепой, выработанной барабанными машинами, и более равномерна по фракционному составу.
В барабанной рубительной машине ножи совершают дугообразные движения, врезаясь в древесину по различными углами наклона, зависящими от толщины перерабатываемого материала.
Величина угла резания существенно влияет на толщину щепы. Увеличение угла резания приводит к росту доли толстой по ширине фракций щепы, при этом ее распределение по толщине становится неравномерным [18].
Качество щепы, получаемой на барабанной рубительной машине, удовлетворяет требованиям производства древесноволокнистых и древесностружечных плит, топливной щепы, но не отвечает требованиям, предъявляемым к щепе для целлюлозно-бумажного производства. Производство щепы, предназначенной для выработки целлюлозы, требует оснащения барабанной рубительной машины дополнительными устройствами. Например, в нее может быть встроена специальная решетка, предотвращающая выход крупной фракции до того, как она будет измельчена в достаточной степени. В этом случае после двух ступенчатого сортирования щепы на щелевых и уровневых сортировках она может использоваться в целлюлозно-бумажном производстве.
Преимущество барабанной рубительной машины перед дисковой заключается в более высокой производительности при переработке сучьев, веток, а также короткомерных отходов лесопиления и деревообработки. Оно достигается при прочих равных условиях за счет увеличенного сечения приемного окна загрузочного патрона.
Щепу при переработке древесины в барабанных рубительных машинах получают по схеме согласно рисунку 1.5. – ножевой барабан; 2 – режущий нож; 3 – контрнож Рисунок 1.5 – принципиальная схема рубки щепы в барабанной рубительной машине. В барабане, вращающемся с постоянной угловой скоростью, закреплены ножи, срезающие слой древесных отходов. Внедрение ножа с древесину сопровождается возрастанием напряжений в древесине до их предела, в результате чего происходит разрушение древесины в сечении, где этот предел наступил. В результате разрушения древесины в плоскости параллельной направлению волокон, происходит отделение элемента щепы. Повторное внедрение ножа, сопровождается давлением на образуемую поверхность среза со стороны задней грани ножа, а подрезанная часть стружки – со стороны передней.
Подача на барабан может осуществляться как под собственным весом, так и с помощью механизма принудительной подачи, который обеспечивает постоянное положение измельчаемого материала. Направление скорости движения ножа составляет с направлением скорости движения материала угол встречи, который в рубительных машинах барабанного типа находится в диапазоне 850 – 300.
Оценка влияния влажности сухостойной древесины на ее прочность на скалывание вдоль волокон
Предлагаемая в данной работе технология ЛТО ножей рубительных машин, состоящая в последовательном импульсном лазерном нагреве режущей кромки ножа, предполагает поступательное (вдоль всей длины кромки) его перемещение со строго определенной скоростью, обеспечивающей необходимое перекрытие зон лазерного воздействия (ЗЛВ). В принципе лазерная установка «Квант-15» имеет моторизованное приспособление, обеспечивающее такое перемещение. Однако характеристики этого приспособления не обеспечивают необходимых параметров перемещения ножа при ЛТО. В частности, существующее приспособление имеет малый рабочий ход (около 70 мм), низкую точность поддержания скорости перемещения и сложность ее плавной регулировки, поскольку для этого в нем использован фрикционный механический вариатор. К недостаткам существующего моторизованного стола необходимо отнести также отсутствие точного (по позиционированию) и надежного механизма фиксации обрабатываемого ножа, обеспечивающего также быструю его установку и снятие.
Требования к разрабатываемому приспособлению определяются основными технологическими нормами предлагаемого процесса ЛТО, формой и геометрическими размерами обрабатываемых изделий – ножей рубительных машин, а также необходимостью обеспечения высокой производительности и эргономичности этого технологического процесса. К этим требованиям можно отнести следующие основные характеристики проектируемого устройства:
Предлагаемое приспособление(см. приложение 1). состоит из основания с двумя стальными щеками, внутри которых по шариковым направляющим продольно перемещается каретка-стол. Моторизованное перемещение каретки осуществляется от стандартного мотор-редуктора РД-09 через зубчатое колесо на его выходном валу, находящееся в зацеплении с зубчатой рейкой каретки. На верхней плоскости каретки-стола установлены два кольцевых постоянных магнита из феррита бария и два упора (продольный и поперечный) для надежного крепления и точного позиционирования обрабатываемого ножа на столе приспособления. Само приспособление крепится на поперечные салазки установки «Квант-15». Поперечное перемещение ножа (и соответственно – настройка зоны лазерного воздействия на режущую кромку) обеспечивается механизмом поперечных салазок установки. Скорость продольного перемещения каретки приспособления плавно регулируется изменением частоты вращения мотор-редуктора за счет использования для его питания частотного преобразователя с регулируемой частотой.
Порядок работы на модернизированном приспособлении состоит в следующем. Перед ЛТО обрабатываемый нож закрепляется на верхней поверхности стола-каретки с помощью двух кольцевых магнитов, причем так, чтобы нож точно позиционировался на столе с помощью продольного и поперечного упоров, а режущая кромка была направлена вперед, и ее скос находился внизу.
Поперечное расположение зоны лазерного воздействия на режущей кромке регулируется перемещением всего приспособления по поперечным салазкам установки и фиксируется стопорным винтом этих салазок.
Установив заранее требуемую скорость продольного автоматического перемещения с помощью частотного регулятора преобразователя, моторизованным приводом устанавливают начальное продольное положение ЗЛВ, а затем включают рабочий ход и одновременно запускают лазер.
Закончив ЛТО, нож снимают с приспособления, визуально контролируют режущую кромку и, при наличии поджогов, подвергают алмазной абразивной правке (если это необходимо).
В качестве объектов для исследования и оптимизации режимов ЛТО использовали полноразмерный нож рубительной машины с исходной традиционной термической обработкой, состоящей из объемной закалки (нагрев в печи до 1050 0С, выдержка 10-12 мин, закалка в масле) и последующего отпуска в течение 2 часов при температуре 550-560 0С.
Поскольку на практике поверхность работавших ножей (в процессе их эксплуатации) достаточно неоднородна по цветовым характеристикам и шероховатости, зона будущей лазерной обработки (вблизи режущей кромки с плоской стороны) подвергали пескоструйной обработке. Такая операция позволила получить однородное состояние поверхности в ЗЛВ и обеспечила однообразие поглощающих свойств этой поверхности при воздействии лазерного луча.
Для точной идентификации отдельных зон лазерного воздействия при последующих визуальных и механических исследованиях на поверхность ножа с помощью твердосплавной чертилки наносим координатную сетку с шагом 5 мм по длине и ширине ножа при удалении от острия 20 мм (рисунок 2.5).
Каждому перекрытию продольных и поперечных линий разметки (будущему лазерному «пятну») присвоили идентификационный номер по системе a.b, где а – номер горизонтали, считая от лезвия; b – номер вертикали слева направо.
Произведенная разметка позволила точно настраивать положение ЗЛВ по микроскопу-прицелу установки, а затем легко находить и идентифицировать отдельные ЗЛВ и анализировать режимы ЛТО, поскольку каждому лазерному «пятну» или серии «пятен» соответствовал свой режим лазерной обработки.
После проведения ЛТО поверхность ножей в районе ЗЛВ подвергали зачистке шлифовальной бумагой зернистостью МЗО («нулевка») для последующих измерений твердости по Виккерсу и микротвердости Н. Для проведения микроструктурных исследований и определения количества остаточного аустенита в структуре материала ножа после ЛТО изготавливала специальные образцы (см. п. 2.1.6).
Выбор постоянных и переменных факторов эксперимента основывался на анализе литературных данных по ЛТО высоколегированных инструментальных сталей, а также на главной цели исследования – поиска оптимальных режимов ЛТО, позволяющих достичь максимально высокой твердости режущей кромки ножа при достаточной степени равномерности свойств вдоль всей лезвийной области. Принимая во внимание также требования получения максимальной производительности и возможно наибольшей ширины ЗЛВ в качестве постоянных факторов были приняты: диаметр «пятна» лазерного луча – 3мм (максимальный), максимальная длительность импульса 5 мс. Таким образом, плотность энергии излучения, которая в конечном счете определяет эффект и результат лазерного воздействия на поверхность ножа, определяется в этом случае только энергией импульса излучения, которая, в свою очередь, является функцией напряжения конденсаторов накачки установки. Это напряжение принято главным переменным фактором. Для перевода величины напряжения конденсаторов накачки в энергию излучения (для универсальности использования полученных данных в других условиях нагрева или других установках) получена и приводится ниже тарировочный график (рисунок 2.4).
Влияние угла заточки на потребляемую мощность рубительной машины при переработке сухостойной древесины
Выполненные исследования по определению режимов ЛТО для ножей рубительных машин из стали 6Х7ВСМФ показали высокую высокую эффективность лазерного упрочнения. Получаемый упрочненный слой, однородный по структуре и свойствам, имеет высокую микротвердость (Нм 947 кг/мм2) при средней твердости HRC 63-64 и достаточную глубину (150…170 мкм), что должно положительно сказываться на износостойкость режущих кромок ножей в эксплуатации.
Для подтверждения эффективности лазерного упрочнения применительно к ножам рубительных машин при переработке сухостойной древесины провели эксплуатационные исследования влияния ЛТО на износостойкость ножей и качество получаемой технологической щепы и сравнили полученные результаты с износостойкостью ножей без ЛТО. Оценку эксплуатационных свойств проводили в эксплуатационных условиях на дисковой рубительной машине с наклонной загрузкой МРН-10, производящей технологическую щепу марки Ц-3 по ГОСТ 15815-83 из сухостойной древесины. Результаты исследований должны быть положены в основу выработки технологических рекомендаций по использованию ЛТО для повышения износостойкости ножей рубительных машин, используемых при переработке сухостойной древесины.
При проведении эксплуатационных исследований необходимо было решить следующие задачи: - установить зависимость между временем работы ножа без ЛТО и с ЛТО и уровнем износа режущей кромки; - установить зависимость между износом режущей кромки ножа и качеством технологической щепы; - определить предельный ресурс работы ножа с ЛТО до очередной переточки. Для решения перечисленных выше задач использовали известные по литературным данным методики [57,58,59,60], скорректировав их соответствующим образом под характер решаемых задач исследования и применяемое при измерениях оборудование. Оборудование и методики оценки эксплуатационных свойств ножей рубительных машин для переработки сухостойной древесины после ЛТО
Как вытекает из поставленных в данной главе задач исследования, основным показателем, определяющим предельный ресурс ножей между переточками является снижение качества технологической щепы, получаемой на рубительной машине, вызванное притуплением режущей кромки ножей в результате их износа. Поэтому критерием износа лезвия ножа приняли радиус закругления режущей кромки.
Радиус закругления режущей кромки р является главным показателем определяющим микрогеометрию режущей кромки лезвия инструмента (рисунок 3.1). В процессе резания с увеличением пути резания идет изнашивание режущих кромок, с изменением их микрогеометрии и последующим затуплением. Увеличение радиуса закругления режущей кромки ведет к заметному снижению режущей способности ножей, ухудшению качества обработки, повышению мощности резания, усиливанию шумов и т.д.
Согласно технологических режимов РПИ 6.6-00 [61] первоначальный радиус закругления режущей кромки лезвийного инструмента должен быть равен 10… 15 мкм.
Существуют следующие основные методы измерения радиуса закругления режущей кромки: оптический метод, метод светового сечения и метод слепков [62, 58,59,60,63].
Метод светового сечения. Изучение микропрофиля режущей кромки в лабораторных условиях с его зарисовкой или фотографированием обычно проводят с использованием двойного микроскопа МИС-11. Выявление профиля режущей кромки основано на принципе светового сечения. Пучок лучей в виде световой полосы через узкую щель и объектив направляется на режущую кромку и как бы дает ее сечение. Получающийся световой контур проектируется объективом визуального микроскопа в фокальную плоскость окуляра. Теневое изображение профиля режущей кромки изучают визуальным способом, производя необходимые измерения с помощью окулярного микрометра, или фотографируют.
Недостатком метода является некоторое искажение контура режущей кромки и ограниченный предел измерения высоты профиля, не превышающий 60 мкм, что исключает возможность изучения микрогеометрии режущей кромки при значительном ее затуплении.
При применении метода слепков под микроскопом исследуется срез отпечатка или сам отпечаток режущей кромки, получаемый при помощи вдавливания исследуемого образца в любой пластичный материал, например свинец, или в затвердевающий стоматологический материал. Основным недостатком метода является возможное искажение контура режущей кромки при получении среза отпечатка, а также трудность исследования изменения радиуса закругления режущей кромки по всей длине с созданием полноценной картины затупления из-за необходимости получения большого количества срезов.
Оптический метод определения радиуса закругления режущей кромки отличается сравнительно невысокой трудоемкостью и простотой. Сущность метода, разработанного в 1934 г. Д. М. Калининым [62], состоит в измерении ширины «световой» или «теневой» полосы, видимой на лезвии инструмента через микроскоп, и в последующем расчете радиуса закругления режущей кромки по специальным формулам. На микроскопе специальным приемом освещения режущей кромки добиваются наиболее четкого перехода от света к тени или, наоборот, от тени к свету при переходе от передней и задней граней к кривой затупления. В первом случае, когда передняя и задняя грани остаются затемненными, режущая кромка будет наблюдаться в виде светлой полоски, во втором случае – в виде темной полоски [57, 58].
В данном исследовании применяли метод измерения световой полосы на универсально измерительном микроскопе УИМ-21 (рисунок 3.2), предназначенном для измерения линейных и угловых размеров разнообразных изделий в прямоугольных и полярных координатах. Для установки ножа в поле зрения объектива микроскопа было изготовлено специальное приспособление, которое не только фиксировало нож, но и располагало режущую кромку под углом при котором наиболее четко вырисовывались границы тени и светотени. Фотографирование световой полосы выполняли цифровым фотоаппаратом NICON COOLPIX 3100 с помощью специальной насадки, приспособленной к микроскопу УИМ-21(рисунок 3.1).
Похожие диссертации на Обоснование параметров дереворежущего инструмента для переработки усыхающей древесины
