Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ работоспособности дисковых пил
1.1 Виды отказов и факторы, влияющие на их возникновение . 16
1.2 Нагрев пил и способы его компенсации 22
1.3 Анализ методов исследования напряжений в дисковых пилах 25
1.4 Анализ методов оценки прочности пил 28
1.5 Выводы, цель и задачи исследования 32
2. Напряженное состояние дисковых пил с компенсационными прорезями
2.1 Постановка задачи 34
2.2 Основные расчетные зависимости метода конечных элементов 35
2.3 Определение напряжений в сплошном диске с гладким внешним контуром при плоском нагружении 39
2.4 Напряжения при изгибных деформациях сплошного диска 44
2.5 Обоснование и выбор принципиальных расчетных схем дисковых пил с компенсационными прорезями 47
2.6 Выводы 49
3. Анализ напряженного состояния пильного диска
3.1 Влияние способа закрепления пильного диска на величину напряжений 51
3.2 Напряженное состояние пил с радиальными прорезями 53
3.2.1 Действие центробежных сил 53
3.2.2 Действие температурного фактора 62
3.2.3 Действие сил резания 74
3.2.4 Действие изгибных деформаций 78
3.2.5 Суммарные напряжения 86
3.3 Напряженное состояние пил с кольцевыми прорезями
3.3.1 Действие центробежных сил 97
3.3.2 Действие температурного фактора 104
3.3.3 Действие сил резания 116
3.3.4 Действие изгибных деформаций 118
3.3.5 Суммарные напряжения 126
3.4 Выводы 128
4. Исследование механических свойств стали, применяемой для изготовления круглых пил
4.1 Анализ механических характеристик материала пил 131
4.2 Характеристики трещин 133
4.3 Исследование трещиностоикости стали для трещин первого типа 133
4.3.1 Методика испытаний 133
4.3.2 Результаты испытаний 143
4.4 Экспериментальное исследование скорости роста трещин 144
4.4.1 Методика проведения испытаний 144
4.4.2 Результаты испытаний 145
4.5 Выводы 148
5. Исследование процесса разрушения пил с компенсационными прорезями
5.1 Коэффициенты интенсивности напряжений для трещин нормального отрыва 149
5.2 Влияние различных факторов на величину коэффициентов интенсивности напряжений 151
5.2.1 Влияние конструктивных параметров радиальных прорезей на величину максимальных коэффициентов интенсивности напряжений 151
5.2.2 Влияние технологических параметров пиления на величину максимальных коэффициентов интенсивности напряжений в пилах с внешними радиальными прорезями 155
5.3 Анализ скорости развития трещин в зависимости от различных расчетных параметров 159
5.3.1 Влияние конструктивных параметров радиальных про- 159 резей на скорость распространения усталостной трещины
5.3.2 Влияние технологических параметров пиления на скорость распространения усталостной трещины в пилах с внешними радиальными прорезями 164
5.4 Выводы 168
6. Оценка работоспособности пил
6.1 Оценка ресурса работы пил 170
6.2 Влияния различных факторов на работоспособность пил поперечного пиления 173
6.3 Оценка работоспособности пил продольного пиления 179
6.4 Влияние компенсационных прорезей на частоту собственных колебаний пил 182
6.5 Обоснование конструктивных параметров компенсационных прорезей 191
6.5.1 Обоснование параметров пил, предназначенных для поперечной распиловки бревен 191
6.5.2 Обоснование параметров пил для продольной распиловки древесины 193
7. Предполагаемый экономический эффект 196
Выводы 200
Литература 203
Приложения 211
- Анализ методов исследования напряжений в дисковых пилах
- Определение напряжений в сплошном диске с гладким внешним контуром при плоском нагружении
- Влияние конструктивных параметров радиальных прорезей на величину максимальных коэффициентов интенсивности напряжений
- Влияния различных факторов на работоспособность пил поперечного пиления
Введение к работе
Актуальность темы. Одной из важнейших задач современного деревообрабатывающего производства является повышение производительности круглопильных станков за счет улучшения эксплуатационных свойств дереворежущего инструмента и оптимального выбора режимов резания. Практика эксплуатации круглых пил показывает, что до 40 % аварийного расхода пил, и до 50 % брака продукции обусловлено недостаточной работоспособностью инструмента. Многочисленными экспериментальными и теоретическими исследованиями доказано, что основной причиной потери работоспособности круглых пил, оказываются температурные напряжения, вызванные неравномерным нагревом пильного диска.
В современной научной и производственной практике разработан и применяется ряд способов компенсации температурных напряжений, таких как применение более прочных материалов, более совершенных конструкций пил и пильных агрегатов. Среди них как наиболее эффективный и не требующий значительных материальных затрат выделяется способ создания компенсационных прорезей.
Опыт эксплуатации показывает: создание прорезей снижает влияние температурных воздействий, в смысле повышения устойчивости плоской формы равновесия продольных пил. Однако конструкция прорезей выбирается интуитивно, а обоснованность той или иной формы разрезов, как правило, доказывается экспериментальными методами. При этом следует отметить, что критерий оценки эффективности прорезей сам по себе не имеет достаточного обоснования. Поэтому в ряде случаев используются оценочные показатели, не связанные напрямую с возникающими в пиле напряжениями. Характер распределения напряжений их величина, как правило, остаются неустановленными. Отсутствие знаний о напряженном состоянии затрудняет выбор оптимальных параметров прорезей, обеспечи-
вающих не только компенсацию температурного влияния, но и не снижающих прочностные показатели пильного диска.
Создание компенсационных прорезей в круглых пилах с рациональными размерами и формой способствует повышению качества обработки древесины и снижению затрат на подготовку и эксплуатацию пил в станках.
Цель работы - повышение эффективности эксплуатации круглых дереворежущих пил на основе совершенствования параметров компенсационных прорезей с учетом условий распиловки древесины и требований к качеству подготовки пил. В соответствии с поставленной целью определены следующие задачи исследований:
выполнить анализ отказов пил и установить причины их возникновения;
произвести анализ факторов способствующих переходу инструмента в аварийное состояние;
исследовать и уточнить характер распределения напряжений с учетом конструктивных элементов типа прорезей;
-изучить основные закономерности развития повреждений при наличии в опасных зонах растягивающих напряжений;
-определить показатели трещиностойкости материала пил при статических и циклических нагрузках;
- произвести расчет коэффициентов интенсивности напряжений;
-разработать рекомендации по выбору рациональных параметров
прорезей;
- обеспечить внедрение результатов в практику деревообработки.
Решение этих задач проводилось в соответствии с темой «Разработка
путей повышения эксплуатационных свойств дереворежущих пил» (шифр 97-23-4.1-1), выполняемой по фундаментальным исследованиям в области
проблем лесного комплекса, а также в соответствии с планом научно-исследовательских работ АГТУ (г. Архангельск).
Объекты и методы исследования. Объектом исследований являются круглые дереворежущие пилы с компенсационными прорезями. Для решения поставленных задач применялись следующие методы: теории резания древесины; механики разрушения; теории упругости; метод конечных элементов; методы исследования механических характеристик сталей, используемых для изготовления круглых пил.
Научная новизна работы.
Уточнены существовавшие ранее представления о напряженном состоянии дисков пил с конструктивными особенностями и получены новые результаты о влиянии прорезей в дисках в зависимости от различных параметров, характеризующих качество инструмента, технологический процесс пиления.
Выявлены основные закономерности перехода пил в неработоспособное состояние. Уточнены представления о роли отдельных факторов, способствующих возникновению отказа.
Установлены закономерности развития повреждений в зависимости от формы, места расположения и геометрических размеров прорезей.
Получены новые значения механических характеристик материала пил, определяющие его способность сопротивляться развитию трещин при статических и динамических нагрузках.
Научные положения, выносимые на защиту:
Методика расчета напряженно-деформированного состояния пил с компенсационными прорезями, расчета коэффициентов интенсивности напряжений, ресурса работы пил.
Методика оценки работоспособности пил с прорезями, основанная на принципах существования начальных дефектов типа трещин.
Параметры статической и циклической вязкости разрушения пил.
4. Способ увеличения ресурса работы круглых пил при поперечной распиловке древесины.
Обоснованность и достоверность научных положений выводов и рекомендаций подтверждается практикой эксплуатации пил. Научные положения основаны на корректных допущениях, не противоречат фундаментальным принципам теории упругости и механики разрушения, результатам ранее выполненных в этой области исследований. При проведении расчетов использованы современные средства вычислений. Достоверность экспериментальных исследований подтверждается общепринятыми значениями показателей статистической обработки результатов и соответствием испытательного оборудования нормативно-технической документации.
Значимость для теории и практики. Разработанные методики определения напряженно-деформированного состояния круглых дереворежущих пил с компенсационными прорезями и оценки их работоспособности дополняют теорию расчета круглых пил с компенсационными прорезями и являются базой для их дальнейшего совершенствования. Использование теоретических разработок и результатов исследований позволит обоснованно производить разработку норм расхода инструмента, режимов подготовки и эксплуатации пил. В практике расчета работоспособности пил могут быть использованы принципы расчета напряжений, скорости развития дефектов, а также значения вязкости разрушения инструментальной стали.
Результаты работы использованы ОАО «Научдревпром-ЦНИИМОД» при разработке инструмента для делительного станка ЦД-150.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены и одобрены на научно-технических конференциях, в том числе на 14th International Wood Machining Seminar (IWMS/14 Франция, 1999 г.), Международной конференции «Математическое моделирование в механике деформируемых тел. Методы граничных и конечных элементов»
(г. Санкт-Петербург, 1998 г.), научно-практической конференции «Научно-техническая политика и развитие новых отраслей экономики Архангельской области» (г. Архангельск, 1998 г.).
Публикации. По материалам диссертации опубликованы девять печатных работ.
Аннотация.
Анализ работоспособности пил большого диаметра (1000 мм и более), предназначенных для поперечной распиловки бревен, показывает, что их расход обусловленный разного рода разрушениями в ряде случаев значительно превышают нормальный, обусловленный затуплением режущих граней.
Для пил продольного пиления (малого диаметра до 500 мм) наряду с отмеченным видом потери работоспособности, характерным является снижение изгибной жесткости пильного диска. В результате происходит выход параметров точности и качества пиления за область допустимых значений и состояние пилы расценивается как неработоспособное.
Отмеченные отказы являются следствием обширного комплекса причин, имеющих тесные взаимосвязи. В них можно выделить две основные группы. Первую составляют факторы, связанные с изготовлением и подготовкой инструмента к работе. Влияние этих факторов может быть значительно снижено повышением культуры производства на всех стадиях. Вторая группа причин определяется режимами пиления. Анализ причин этой группы представляется наиболее сложным и в тоже время представляет собой основу выбора оптимальных режимных параметров, удовлетворяющих требованиям точности и качества пиления, производительности и надежности инструмента.
Анализ работ, посвященных решению проблем работоспособности инструмента Ф.М. Манжоса, П.С. Афанасьева, А.Э. Грубе, В.И. Санева, Ю.М. Стахиева, А.А.Бершадского, показал, что к настоящему времени
систематическую проработку получили вопросы анализа нагрузочных факторов, и степень их влияния на работоспособность пил. Они составляют в настоящее время основу нормативных документов по изготовлению, подготовке и эксплуатации дисковых пил.
К числу наиболее значимых воздействий на пилу относят силы сопротивления резанию, температурные воздействия и центробежные силы. Прочие факторы, определяющие работоспособность пилы, (устойчивость, колебания) имеют следственный характер внешних воздействий и начального состояния пильного диска.
Как при продольной распиловке древесины, так и при поперечной распиловке бревен нагрев пил является фактором, в значительной мере определяющим их работоспособность.
Для пил с характерным возрастанием температуры периферии диска опасность составляет ослабление периферийной зоны пилы вплоть до потери плоской формы равновесия.
В случае смещения экстремумов температуры во внутреннюю зону пильного диска происходит растяжение зубчатой кромки, что способствует возникновению актов разрушения.
Отмеченные обстоятельства определили необходимость разработки мер, направленных на нейтрализацию температурного фактора, таких как применение более прочных материалов, более совершенных конструкций пил и пильных агрегатов. Среди них как наиболее эффективный и не требующий значительных материальных затрат выделяется способ создания компенсационных прорезей.
В настоящее время выбор формы, места расположения и размеров прорезей производится методом пробных экспериментов. При этом влияние их на распределение напряжений, прочность, устойчивость и колебания из рассмотрения исключается. А создание прорезей, соответствующих конкретным условиям пиления, не имеет должного обоснования.
Отсутствие представления о характере распределения напряжений в диске при наличии прорезей затрудняет выбор режимов пиления, оптимальных параметров конструкции пилы.
При любом подходе к решению указанной проблемы основой ее решения остается задача оценки прочности.
Исходя из предпосылок о наличии начальных дефектов и возможности их распространения, задача исследования процесса разрушения и на этой основе оценки состояния пилы с прорезями потребовала решения следующих вопросов: исследование коэффициентов интенсивности напряжений на фронте трещины; исследование механической характеристики пильной стали, определяющей способность ее сопротивляться распространению трещин (вязкость разрушения); изучение скорости развития трещины усталости и определение ресурса работы пилы в зависимости от различных расчетных параметров.
Для решения поставленных вопросов необходимо знание законов распределения напряжений в диске пилы с учетом конструктивных особенностей типа прорезей.
Анализ работ, посвященных исследованию напряжений в дисковых пилах, показывает, что ряд вопросов, связанных с учетом различных факторов требует дальнейшего развития, а отдельные результаты нуждаются в уточнении. На данном этапе представляется целесообразным для анализа напряженного состояния использовать численные методы. Наиболее эффективным в настоящее время является метод конечных элементов.
При этом не возникает необходимости вводить ограничения на геометрическую форму контура пилы, характера распределения нагрузок. Как недостаток метода можно отметить лишь необходимость подготовки больших массивов исходных данных. Однако эта сложность может быть в значительной мере преодолена при наличии возможности комбинации аналитических решений для сплошного диска с гладким внешним конту-
ром и диска с конструктивными особенностями. При этом можно полагать так же, что концентрация напряжений не зависит от вида нагружения. Основываясь на ранее выполненных работах, в качестве основных нагрузочных факторов принимаются центробежные силы, силы резания, нагрев, поперечные колебания и деформации диска в случае перебазирования сырья. Полагая независимость отмеченных факторов, а также то, что материал вплоть до разрушения следует закону Гука, считаем справедливым применение принципа суперпозиции.
Рассмотреть напряженное состояние всех, предложенных к настоящему времени авторскими свидетельствами, конструкций пил с прорезями не представляется возможным. Однако с достаточной обоснованностью можно предположить, что создание принципиальных моделей позволяет произвести качественную оценку влияния конструктивных параметров прорезей на напряжения от действия отдельных нагрузочных факторов.
Таким образом, приведенные данные свидетельствуют о необходимости проведения исследований всего комплекса причин, способствующих переходу инструмента в аварийное состояние. Для выработки практических рекомендаций по предотвращению потери работоспособности, потери точности и качества пиления, путем обоснования эффективных параметров прорезей, соответствующих конкретным условиям пиления, требуется проведение целенаправленных теоретических и экспериментальных исследований.
Основу работы составляют исследования, направленные на выявление параметров прорезей позволяющих обеспечить эффективное снижение опасных напряжений, вызывающих образование и развитие повреждений и потерю устойчивости плоской формы равновесия.
Выполнение поставленной в таком плане работы потребовало решения таких задач как: исследование нагрузочных факторов, возникающих при пилении древесины (силы резания, центробежные силы, колебания
низкой частоты и поперечные деформации, вызванные случайными воздействиями); изучение и уточнение характера распределения напряжений с учетом конструктивных особенностей типа прорезей; экспериментальное определение вязкости разрушения сталей, применяемых для изготовления тонких круглых пил, необходимой для оценки прочности инструмента на стадии разрушения; теоретическое и экспериментальное исследование скорости развития трещин в дисках пил с прорезями; определение ресурса работы пил; разработка рекомендаций по выбору рациональных параметров прорезей, обеспечивающих не только эффективное снижение опасных напряжений, но не снижающих прочностные показатели пильных дисков.
Диссертация состоит из введения, семи разделов, выводов и списка литературы. Содержание работы изложено на 230 страницах машинописного текста, иллюстрировано 133 рисунками и 12 таблицами. Список литературы включает 89 наименований.
Во введении показана актуальность темы диссертации, сформулированы ее цель, научная новизна и основные положения, выносимые на защиту.
Первый раздел диссертации содержит обзор работ, посвященных изучению напряженного состояния дисковых пил, способам компенсации температурных напряжений, методам оценки работоспособности. На основе обзора работ изучено состояния вопроса и сформулированы задачи исследования.
Диссертация включает в себя углубленный анализ напряженного состояния пил с учетом конструктивных особенностей и всех нагрузочных факторов, обусловленных технологическими воздействиями. Эти вопросы содержатся во втором и третьем разделах.
Для составления критериальных уравнений оценки работоспособности возникает необходимости определения механических характеристик
материала пил, определяющих его способность сопротивляться развитию повреждений. Эти вопросы содержатся в четвертой главе.
Исследование процесса разрушения пил с компенсационными прорезями с учетом воздействия технологических факторов и расчет коэффициентов интенсивности напряжений на фронте предполагаемой трещины и скорости ее развития содержится в пятом разделе.
Анализу работоспособности пил с прорезями и обоснованию выбора наиболее рациональных конструкций прорезей посвящена шестая глава.
Седьмой раздел содержит расчет предполагаемого экономического эффекта от применения результатов данной работы.
Анализ методов исследования напряжений в дисковых пилах
Нагрев пил является фактором, в значительной мере определяющим работоспособность пил, как по условию прочности, так и по условию устойчивости пильного диска. Именно это обстоятельство служит причиной постоянного рассмотрения этого вопроса. Многочисленные работы посвящены изучению причин нагрева пил. Уже в ранних работах М.А. Дешевого [23] указывается, что нагрев пил обусловлен внутренним трением древесины в процессе ее деформирования, трением опилок о стенки пропила и о поверхности зуба.
Основные закономерности нагрева инструмента при резании материала установлены в работе [17], для дереворежущих инструментов в многочисленных работах А.Э. Грубе [7], А.Л. Бершадского [11], В.И. Санева [8], обобщение которых содержится в [13,28,29], а также в работах [30,31,32]. Последующие исследования теоретические [33,34] и экспериментальные [35,36,37,38 и др.] направлены на изучение влияния отдельных факторов на нагрев и распределение температуры. Установлено [35,36], что с увеличением скорости резания происходит повышение температуры нагрева зубчатой кромки пилы почти в два раза. Уширение зубчатого венца и уменьшение толщины пилы приводит к уменьшению степени нагрева пилы [37]. Существенная зависимость температуры нагрева пил от геометрических параметров зубьев показана в работе [38].
При продольном пилении древесины характерным является уменьшение температуры от периферии к центру диска [33,39]. Установлено, что наиболее высокие градиенты изменения температуры характерны для периферийной области, составляющей 0,2 от радиуса пилы. Для описания законов распределения температуры пильного диска наиболее часто используется аппроксимация в виде степенных или экспоненциальных функций.
В пилах большого диаметра для поперечной распиловки бревен зона резания не является определяющим источником тепла. Это обусловлено тем, что за полный оборот пилы происходит почти полное рассеяние выделившейся тепловой энергии. Характерным для этих пил оказывается нагрев серединной зоны пилы [40], за счет трения пилы о стенки пропила в результате перебазирования бревна, или за счет поперечных колебаний пильного диска с большими амплитудами. При этом экстремумы температур оказываются в зонах, отстоящих от зубчатой кромки на расстояние 0,2- 0,3 радиуса пилы. Перепад температур в этом случае может достигать 30-50 С.
Как при продольной распиловке древесины, так и при поперечной распиловке бревен нагрев пил является фактором, существенно влияющим на их работоспособность. Для пил с характерным возрастанием температуры периферии диска опасность составляет ослабление периферийной зоны пилы вплоть до потери плоской формы равновесия. В целях предотвращения потери устойчивости вводится понятие критической температуры нагрева. Наиболее полные сведения по этому вопросу содержатся в работах [9,41,42,43]. Установлена зависимость колебаний от степени нагрева пилы [44,45].
В случае смещения экстремумов температуры во внутреннюю зону пильного диска происходит растяжение зубчатой кромки, что способствует возникновению актов разрушения.
Отмеченные обстоятельства определили необходимость разработки мер, направленных на нейтрализацию температурного фактора. Можно выделить ряд направлений решения этой задачи. Одним из них является подогрев центральной зоны пилы так, чтобы исключить возникновение температурного перепада [46]. Другим наиболее распространенным направлением является охлаждение пил различными средами. Выбор оптимальных параметров охлаждающих сред и подводящих устройств рассматривался в работах В.К. Пашкова, М.Ю. Стахиева [47] и других авторов. Вопросам автоматического регулирования температуры посвящены работы [48,49,50].
Наиболее целесообразным и не требующим дополнительных затрат представляется путь создания пил специальной конструкции, не зависящей от температурных воздействий. В настоящее время предложен ряд конструкций таких пил. К ним относятся пилы с отделенной периферийной кольцевой областью от центральной зоны, и изолированной от нее, а также пилы, средняя зона которых ослаблена кольцевыми канавками [51]. Эффект выравнивания напряжений при этом достигается, однако изготовление и эксплуатация таких устройств оказывается затрудненной. Наиболее простыми по конструкции и эффективными по компенсации температурных воздействий оказываются пилы с прорезями, обеспечивающими повышенную деформативность центральной или периферийной зоны пилы. Конструкции таких пил представлены на рис. 1.5.
В настоящее время выбор формы, места расположения и размеров прорезей производится методом пробных экспериментов. При этом влияние их на распределение напряжений, прочность, устойчивость и колебания из рассмотрения исключается. А создание прорезей, соответствующих конкретным условиям пиления, не имеет должного обоснования. Отсутствие представления о характере распределения напряжений в диске при наличии прорезей затрудняет выбор режимов пиления, оптимальных параметров конструкции пилы.
Основу проблемы оценки работоспособности инструмента при любом подходе к ее решению составляет анализ напряженного состояния. В любом случае задача сводится к составлению функциональных зависимостей, устанавливающих связь между напряжениями и нагрузочными факторами, которые определяют режимы пиления, конструкцию пилы, качество материала пилы, качество ее подготовки к работе.
Построение таких зависимостей на основе точных решений имеет значительные математические сложности. Это связано со сложностью характера нагрузочных факторов, которые не всегда имеют линейную связь с напряжениями в пиле, со сложностью геометрической формы зубчатой кромки пилы. Эти обстоятельства послужили причиной широкого применения экспериментальных методов (оптических или тензометрических) определения напряжений [52,53]. При всей своей значимости в решении новых задач, расширение знаний в области изучения основных закономерностей изменения напряжений, они не являются достаточно точными, Это обусловлено тем, что тензометрические методы дают осредненные результаты в больших объемах, а оптические не обладают достаточной разрешающей способностью. Кроме того, экспериментальные результаты соответствуют лишь конкретному набору нагрузочных факторов и не обладают достаточной общностью.
Аналитические работы, касающиеся вопросов определения напряженного состояния дисковых пил, связаны в основном с решением проблемы устойчивости и колебаний [42,44,53,54,55,56]. При этом пила рассматривается как диск с гладким внешним контуром.
В отмеченных задачах местные напряжения, возникающие в зонах концентрации напряжений, не имеют существенного значения, и исключение зубчатой кромки из рассмотрения является оправданным. В задачах по оценке прочности учет концентрации напряжений представляется необходимым. Однако на современном этапе построение аналитических решений с учетом реальной геометрии зубчатой кромки не представляется возможным. Поэтому в практике расчета пильных инструментов используется приближенный метод. Отдельно рассматривается напряженное состояние зуба и пильного диска. Наиболее полные результаты определения напряженного состояния дисков пил содержатся в [57]. В расчетной схеме зуб рассматривается как балка переменного сечения с жестким защемлением [58]. Напряженное состояние описывается зависимостями технической теории деформации стержней, основанной на гипотезе плоских сечений. Полученные при этом результаты не обладают достаточной полнотой и точностью. Это обусловлено существенной аппроксимацией формы зуба, искажением реальной деформации материала в защемленном сечении. В качестве уточняющих методов используются решения теории упругости для бесконечного клина [59]. Несмотря на получение более точной картины распределения напряжений, эти результаты также не позволяют судить о действительной величине напряжений в зоне сопряжения зуба и пильного диска. Отдельные результаты по учету влияния зубчатой кромки содержатся в работах [60,61].
Определение напряжений в сплошном диске с гладким внешним контуром при плоском нагружении
В настоящее время предложено и защищено авторскими свидетельствами большое количество форм, размеров и мест расположения прорезей [9,19,63]. Некоторые из них представлены на рис. 1.5. Рассмотреть напряженное состояние всех предложенных конструкций пил не представляется возможным. Однако с достаточной обоснованностью можно предположить, что создание принципиальных моделей позволит произвести качественную оценку напряженного состояния большинства конструкций пил с прорезями.
В зависимости от положения компенсаторов относительно радиуса, нами предложены два вида принципиальных схем конструкций прорезей -радиальные (рис.2.4 а, б, в), расположенные на радиусах или направлениях близких к ним и кольцевые (рис.2.4, г, д, е), расположенные на окружностях или приближенные к ним.
К радиальным прорезям можно отнести все конструкции компенсаторов, представленных на рис. 1.5, а. При этом все они ориентированы близко к радиальным направлениям и имеется какой-либо радиус, который не проходит через прорезь [9,63]. Длина радиальных прорезей, их количество и наклон относительно радиуса может варьироваться в пределах данного условия.
Качественный анализ напряженного состояния конструкций пил с прорезями, ориентированными близко к окружностям, либо составляющими систему, при которой любой радиус проходит через какую-либо прорезь (рис. 1.5, б) можно получить, используя упрощенную схему диска с кольцевыми прорезями, положение которых относительно посадочного отверстия, количество разрезов в ряду и количество рядов можно изменять (рис.2.4, г, д, е).
В зависимости от расположения компенсаторов относительно посадочного отверстия все виды пил условно можно разделить на три группы. Первая группа составляет пилы с ослабленной центральной зоной. Принципиальные расчетные схемы, позволяющие моделирование ослабленной центральной зоны пилы представлены на рис.2.4, а, г. Вторая группа содержит пилы с прорезями, расположенными во внутренней области пилы (пилы с ослабленной средней зоной). Моделирование этой группы с достаточной обоснованностью производится применением расчетных схем б и д (рис.2.4). В третью группу входят конструкции пил с ослабленной периферийной зоной диска. Выполнить достоверный анализ всех, применяемых в настоящее время, конструкций периферийных прорезей позволит использование расчетных схем в и е (рис.2.4.). Кроме того, использование описанных выше принципиальных расчетных схем, позволит учесть влияние размера радиальных и кольцевых прорезей на величину напряжений от всех рассматриваемых факторов. 1. Получение объективных оценок работоспособности пил невозможно без детального рассмотрения напряженного состояния с учетом всех факторов. 2. Возможность комбинации аналитических решений для сплошного гладкого диска и диска с конструктивными особенностями позволяет эффективно применять метод конечных элементов для исследования напряженного состояния с учетом прорезей. 3. Все многообразие предложенных в настоящее время конструкций пил с температурными компенсаторами, с достаточной обоснованностью, можно представить в виде принципиальных расчетных схем, позволяющих исследовать влияние размера, формы и расположения отверстий на напряжения от отдельных нагрузочных факторов.
В дальнейшем отдельно рассматривается действие центробежных сил, сил резания, нагрева, колебаний и изгиба диска вызванного перебазированием сырья. Такой подход обеспечивает возможность оценить степень влияния каждого из факторов на величину напряжений. Полагается, что влияние зубчатой кромки не зависит от вида нагружения. Это дает возможность, следуя работе [4], ввести функцию влияния. Она может быть определена как отношение местных напряжений к номинальным на протяжении зоны возмущенного напряженного состояния для какого-либо одного вида нагружения. Полная величина напряжений определяется как произведение суммы напряжений от всех факторов на значение функции влияния в данной точке пилы.
Влияние конструктивных параметров радиальных прорезей на величину максимальных коэффициентов интенсивности напряжений
Изгибные деформации диска могут быть вызваны колебаниями низкой частоты или случайными воздействиями, например в случае перебазирования сырья. В пилах продольного пиления случайные воздействия возникают крайне редко. Изгибные деформации имеют место, но их возникновение обусловлено действием неравномерного нагрева. Амплитуда деформаций, по сравнению с пилами поперечного пиления, невелика, ниже в 2-8 раз. Кроме того, при создании прорезей, если удается добиться снижения напряжений от неравномерного нагрева и/или увеличить напряжения от действия центробежных сил это приводит к снижению амплитуд колебаний, т.е. к уменьшению деформации диска. В наибольшей степени действию изгибных деформаций подвержены пилы большого диаметра для поперечной распиловки бревен, применяемые в слешерных агрегатах, для которых характерна скученная подача сырья.
Расчет напряжений от изгибной деформации диска при случайных воздействиях (в частности от перебазирования бревен) производился по схеме представленной на рис.3.37 с применением программного продукта Лира-Windows 5-03. При этом были заданы следующие условия: пильный диск жестко закреплен пильными фланцами; моделируется вторая форма колебаний при этом узловые диаметры совпадают с направлением осей х и у; точка приложения боковой силы Р, меняет положение относительно узловых диаметров. При соблюдении перечисленных выше условий был выполнен расчет следующих вариантов (рис.3.37): узловые диаметры совпадают с направлениями прорезей, прорезь расположена под углом 22,5 градуса к узловому диаметру, точка приложения боковой силы находится на краю прорези.
Для расчета напряжений от колебаний низкой частоты применялись аналогичные варианты расчетов. Нагрузка в этом случае прилагалась равномерно распределенная, а величина деформаций принималась по данным ЛТА [8] для пил продольного пиления и по данным АЛТИ [4] для пил большого диаметра поперечной распиловки древесины.
Напряжения, возникающие от изгибных факторов (колебания, случайные воздействия от перебазирования бревен) - переменные, изменяющиеся по симметричному циклу. В совокупности с напряжениями от плоских деформаций они создают несимметричный, в основном, знакопеременный цикл.
В дисках с различными видами прорезей, в сечениях, имеющих различное положение относительно положения прорезей, влияние нагрузочных факторов неодинаково, в отличие от сплошного диска.
В данном разделе рассмотрено совместное влияние колебаний низкой частоты и случайных воздействий в дисках поперечного пиления с различными видами радиальных прорезей.
Распределение радиальных напряжений в диске с внешними прорезями представлено на рис.3.38. Результаты расчетов показали, что наибольшие изменения характера распределения напряжений наблюдаются на периферии диска в случае, когда прорези располагаются на узловых диаметрах (кривая 3). Увеличение тг составляет 40 %, по сравнению с соответствующими номинальными значениями. По мере удаления прорези от узлового диаметра характер распределения напряжений приближается к характеру распределения напряжений в сплошном диске. В случае, когда нагрузка приложена к краю прорези (кривая 1) вблизи конца прорези возникают местные напряжения, превышающие соответствующие номинальные значения в 2,5 раза.
Влияние прорезей на распределение тангенциальных напряжений {ав) наиболее существенно в периферийной зоне диска (рис.3.39). В случае, когда прорези совпадают с узловыми диаметрами, наблюдается снижение напряжений во всей области диска (кривая 3). В наиболее нагруженных точках, на внешнем контуре снижение напряжений составляет 40 %. По мере удаления прорези от узлового диаметра характер распределения напряжений {ад) приближается к распределению напряжений в сплошном диске (кривая 2). В сечении, ослабленном прорезью (кривая 1), на конце прорези ув выше соответствующих номинальных значений в 2 раза. По мере удаления от конца прорези на расстоянии 0,17R эти напряжения снижаются до номинальных значений. тангенциальных напряжений от изгибных деформаций Увеличение длины прорезей приводит к уменьшению напряжений на линии дна межзубовых впадин (рис.3.40). Увеличение L в два раза обеспечивает снижение напряжений на 35-40 %. На конце прорези увеличение длины L в два раза приводит к снижению местных напряжений на 15 %.
Аналогичный характер распределения напряжений сохраняется и при увеличении числа прорезей (рис.3.41). С увеличением числа прорезей происходит уменьшение напряжений. В наиболее напряженных точка, на линии дна межзубовых впадин увеличение числа прорезей в два раза обеспечивает снижение напряжений на 14-19 %, по сравнению с диском без прорезей. Следует полагать, что это уменьшение обусловлено взаимным влиянием прорезей.
Влияния различных факторов на работоспособность пил поперечного пиления
Сравнительный анализ различных вариантов расположения прорезей показывает, что наименее эффективными в смысле снижения опасных напряжений на линии дна межзубовых впадин оказываются прорези, выходящие на внутренний контур пилы. Максимальные напряжения в этом случае оказываются ниже номинальных лишь на 0,7 %. Наибольший интерес представляют внешние радиальные прорези. В наиболее нагруженной точке создание этих прорезей обеспечивает снижение напряжений на 12 %. Однако, в сечении, ослабленном прорезью, при определенных условиях возможно возникновение значительных местных напряжений, в 2 раза превышающих номинальные. Учет этих напряжений позволяет сделать вывод, что в пилах продольного пиления при создании внешних радиальных прорезей могут наблюдаться значительные растягивающие напряжения на конце прорезей, что может способствовать возникновению и развитию трещин. В этой связи представляется целесообразным определение напряжений от изгибных деформаций пил продольного пиления с внешними прорезями.
Зная напряжения, возникающие от каждого фактора в отдельности, и основываясь на принципе независимости действия сил, полные напряжения в пиле определяются как сумма напряжений от отдельных ранее рассмотренных факторов. В связи с тем, что образование трещин происходит по типу нормального отрыва по радиальным направлениям, в дальнейших расчетах использованы лишь нормальные напряжения (ств), действующие на радиальных площадках.
На основании выполненных расчетов, напряжения от сил резания в пилах поперечного пиления оказываются незначительными по сравнению с напряжениями от других факторов, поэтому в дальнейших расчетах они учитываются лишь при рассмотрении вопроса прочности пил продольного пиления с внешними радиальными прорезями в сечении, ослабленном прорезью.
Согласно выполненным расчетам из всех рассмотренных факторов наибольшие тангенциальные напряжения в диске пилы большого диаметра для поперечной распиловки бревен без прорезей возникают от изгибных деформаций (перебазирование бревен и колебания низкой частоты) и неравномерного нагрева. Характер влияния этих факторов показан на рис.3.46.
При расчете суммарных напряжений в дисках с прорезями, учтено влияние зубчатого венца на распределение напряжений в сечении, не совпадающем с направлением прорези, и влияние конца прорези в сечении, проходящем через прорезь рис.3.47. Для этого производится умножение напряжений в соответствующих точках по радиусу пилы на значения соответствующей функции влияния рис.3.48.
Сравнительный анализ различных вариантов расположения прорезей в пилах поперечного пиления (рис.3.49) показывает, что при прочих равных условиях создание внутренних радиальных прорезей в пилах для поперечной распиловки бревен приводит к отрицательным результатам, так как напряжения в опасной зоне возрастают по сравнению с диском без прорезей. При создании радиальных прорезей, выходящих на внутренний контур, наибольшие суммарные напряжения наблюдаются в сечении, проходящем через биссектрису угла между соседними прорезями. Опасные напряжения здесь превышают соответствующие напряжения в сплошном диске на 20 % (кривая 1). В диске с радиальными прорезями, выполненными во внутренней области пилы опасными, согласно расчетам, оказались сечения, проходящие через прорезь и вблизи прорези. Суммарные напряжения на периферии, в этом случае, на 6 % выше, чем в диске без прорезей, а кривая распределения напряжений практически совпадает с кривой соответствующей сплошному диску (кривая 2). При наличии в диске пилы внешних радиальных прорезей длиной L=0,36R наибольшие напряжения возникают в сечении, расположенном под углом 22,5 к прорези (кривая 4). При этом возникают значительные местные напряжения вблизи конца прорези, их величина приблизительно равна величине напряжений на периферии диска (рис.3.50). Но максимальные значения напряжений в диске с прорезями во всех сечениях оказываются значительно меньше опасных напряжений, возникающих в сплошном диске.
