Содержание к диссертации
Введение
Состояние проблемы и задачи исследования 8
1.1. Конструктивные особенности пильных цепей и их место в лесозаготовительном производстве
1.2. Основные понятия и инструменты теории надежности 17
1.3. Методы расчета надежности 22
1.4. Исследования надежности технических систем в лесопромышленном комплексе
1.5. Основные причины отказов пильных цепей 29
1.6. Методы испытаний и применяемое оборудование для определения характеристик надежности пильных цепей
1.7. Определение оптимальной стратегии восстановления пильных цепей
1.8. Выводы по первому разделу 49
1.9. Задачи исследования 50
2. Теоретические исследования надежности пильных цепей , 52
2.1. Методика расчета трещиностойкости пильных цепей 52
2.2. Методика расчета надежности пильных цепей 58
2.3. Определение оптимальной стратегии восстановления пильных цепей
2.4. Выводы по второму разделу 76
3. Методика и аппаратура экспериментальных исследований 78
3.1. Объекты, приборное обеспечение и условия проведения экспериментальных исследований
3.2. Обоснование оптимального закона скорости подачи при поперечной распиловке круглых лесоматериалов
3.3. Определение необходимого числа наблюдений и повторений опыта
3.4. Выводы по третьему разделу 97
4. Результаты экспериментальных исследований 99
4.1. Разработка методики приведения наработки пильной цепи в площади пропила к ее производительности на заготовке древесины
4.2. Определение допустимых отклонений при изготовлении пильных цепей
4.3. Влияние качества изготовления пильных цепей на энергетическую эффективность процесса пиления
4.4. Результаты исследования зависимости показателей процесса пиления от снижения ограничителей подачи режущих зубьев пильных цепей
4.5. Влияние скорости резания на энергоэффективность процесса пиления
4.6. Выводы по четвертому разделу 124
5. Общие выводы и рекомендации 128
Литература
- Исследования надежности технических систем в лесопромышленном комплексе
- Методика расчета надежности пильных цепей
- Обоснование оптимального закона скорости подачи при поперечной распиловке круглых лесоматериалов
- Влияние качества изготовления пильных цепей на энергетическую эффективность процесса пиления
Введение к работе
Актуальность темы. Пильные цепи хорошо известны в качестве режущего инструмента, применяющегося в лесозаготовительной промышленности. В СССР выпускалось более 4 млн. штук цепей в год. В настоящее время этот сектор занят, в основном, продукцией импортного производства, что связано с неудовлетворительным качеством и надежностью отечественных пильных цепей. Исследования в этой области практически полностью свернуты. Это приводит к застою в разработке и внедрении новых, более совершенных конструкций данного вида режущего инструмента, и вытеснению продукции отечественных производителей изделиями западных фирм. Более того, производители лесозаготовительных машин, в последнее время стали оснащать пильные аппараты собственного производства импортными пильными цепями для повышения эксплуатационных показателей и, соответственно, конкурентоспособности своей техники. Изменить сложившуюся ситуацию можно путем научно-обоснованного совершенствования конструкции отечественных пильных цепей, что позволит им выйти на мировой уровень по эксплуатационным показателям и показателям надежности.
Цель работы. Повышение эффективности универсальных пильных цепей совершенствованием их конструкции и эксплуатационных показателей.
Объект исследований. Мелкозвенные универсальные пильные цепи.
Предмет исследования. Процессы пиления древесины универсальными пильными цепями и износа цепей во время эксплуатации.
Научная новизна работы. Разработанные и исследованные математические модели расчета основных показателей надежности пильных цепей и оптимальной стратегии их восстановления, с учетом трещиностойкости цепей и эксплуатационных показателей работы, позволяют принимать организационно-технические мероприятия на стадии их изготовления и эксплуатации, повышающие эффективность работы пильных цепей.
Значимость для теории и практики. Разработанные методики расчета показателей надежности пильных цепей развивают теорию надежности оборудования лесопромышленного комплекса. Результаты работы позволяют принимать конструкторские решения при изготовлении и эксплуатации пильных цепей. Методика приведения наработки пильной цепи в пло-щади пропила (м ) к ее производительности на заготовке древесины (м ) позволяет производить необходимые технико-экономические расчеты при проектировании лесозаготовительных работ. Разработанный стенд для проведения экспериментальных исследований позволяет с большой точностью и эффективностью получать данные, характеризующие процесс эксплуатации пильных цепей.
На защиту выносятся следующие положения:
методика расчета надежности пильных цепей;
методика определения оптимальной стратегии восстановления пильных цепей;
методика приведения наработки пильной цепи в площади пропила (м ) к ее производительности на заготовке древесины (м );
конструкция экспериментального стенда для проведения сравнительных испытаний пильных цепей.
Достоверность выводов и результатов исследований обеспечена: применением методов теории надежности; проведением экспериментальных исследований в лабораторных условиях и подтвержденной адекватностью полученных моделей за счет удовлетворительной сходимости экспериментальных и теоретических данных.
Апробация работы. Основные положения диссертации и отдельные ее разделы докладывались и обсуждались на шести научных конференциях, включая три международных, а также на ежегодных научно-технических конференциях Санкт-Петербургской государственной лесотехнической академии имени СМ. Кирова в 2006-2010 гг. Часть материалов работы получена соискателем при выполнении проектов «Совершенствование конструкции пильных цепей с целью повышения их надежности» и «Повышение качества режущих инструментов лесозаготовительных машин», «Повышение эффективности цепных режущих инструментов лесопромышленного комплекса обоснованием их конструктивных и эксплуатационных параметров» по субсидиям в виде грантов Правительства Санкт-Петербурга для студентов, аспирантов, молодых ученых, молодых кандидатов наук вузов и академических институтов, расположенных на территории Санкт-Петербурга в 2008-2010 гг.
Публикации. Материалы диссертации опубликованы в двенадцати печатных работах, включая одну статью в журнале, рекомендованном ВАК РФ для публикации материалов кандидатских и докторских диссертаций, и один патент на полезную модель. Результаты исследований отражены в научно-технических отчетах по НИР.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, основных выводов и рекомендаций, списка литературы. Общий объем работы 145 с. Диссертационная работа содержит 30 рисунков, 8 таблиц. Список литературы содержит 145 источников.
Исследования надежности технических систем в лесопромышленном комплексе
Основные понятия и определения теории надежности технических устройств сформулированы в ГОСТ 27.002 89 «Надежность в технике. Основные понятия. Термины и определения».
Теория надежности — это наука, изучающая закономерности распределения отказов технических устройств, причины и модели их возникновения [16].
Теория надежности изучает методы обеспечения стабильности работы объектов (изделий, устройств, систем и т.п.) в процессе проектирования, производства, приемки, эксплуатации и хранения. Устанавливает и изучает количественные показатели надежности. Исследует связь между показателями эффективности и надежности [17].
Базой математического аппарата теории надежности являются [18]: теория вероятностей; математическая статистика; математическая логика; теория случайных процессов; теория массового обслуживания; теория графов; теория оптимизации.
Развитие теории надежности в технике вызвала к жизни такие новые научные направления, как: физика отказов; статистическая теория прочности; техническая диагностика; инженерная психология; исследование операций; планирование эксперимента; и др.
Диагностика - отрасль знаний, включающая в себя теорию и методы организации процессов диагноза, а так же принципы построения средств диагноза. Когда объектом диагноза является объекты технической природы, говорят о технической диагностике. Техническая диагностика решает три типа задач по определению состояний технических объектов:
1) Задачи по определению состояния, в котором находится объект в настоящий момент времени. Это задачи диагностики;
2) Задачи по предсказанию состояния, в котором окажется объект, в некотором роде это будет момент времени. Это задача прогноза прогнозирования. К задачам технического прогнозирования относятся задачи по назначению периодичности профилактики и ремонта;
3) Задачи определения состояния, в котором находился объект в некоторый момент времени в прошлом. Это задачи генеза отрасль, решающая задачи этого типа называется технической генетикой. К этим задачам относятся, например, причины аварии.
В жизни любого объекта, как некоторого изделия всегда можно выделить два этапа: производство и эксплуатация данного объекта. Бывает так же этап хранения этого объекта.
Для любого объекта на каждом этапе его жизни задаются определенные технические требования. Желательно, чтобы объект всегда соответст-вовал этим требованиям. Однако в объекте могут возникнуть неисправности, нарушающие указанное соответствие прибора. Тогда задача состоит в том, чтобы создать на этапе производства или восстановить нарушенную неисправность (которая может появиться на этапах эксплуатации или, хранения) в соответствии с заданными техническими требованиями прилагаемыми объекту.
Решение этой задачи невозможно без эпизодического или непрерывного диагноза состояния объекта. Состояние объекта определяется его надежностью. Надежность: это свойство объекта выполняемых заданных функций сохранения, во время значений и установленных эксплуатационных показателей в заданных режимах и условиях использования, технического обслуживания, ремонта и т.д.
Исправное состояние: это состояние, при котором прибор соответствует всем требованиям установленным нормативной — технической документацией. Неисправное состояние: это состояние, при котором прибор, объект не соответствует хотя бы одному из требований нормативно - технической документации.
Работоспособное состояние: это состояние объекта, при котором он способен выполнять заданные функции, сохраняя значения заданных нормативов в пределах установленных документацией.
Неработоспособное состояние: это состояние, при котором значения хотя бы одного заданного параметра не соответствуют нормативно — технической документации.
Понятие повреждение заключается в нарушении исправного состояния изделия при сохранении его работоспособности. Для любого изделия существуют понятия: дефект, неисправность, отказ, сбой и ошибка.
Дефект: это отклонение от параметров изделия относительно заданных в нормативно - технической документации.
Неисправность: форматированное представление факта проявления дефекта на входах и выходах изделия. Отказ: дефекты, связанные с необратимыми нарушениями характеристик изделия, приводящим к нарушению его работоспособного состояния. Сбой: дефект, заключающийся в том, что в результате временного изменения параметров изделия в течение некоторого периода времени оно будет функционировать непрерывно. Причем его работоспособность восстанавливается самонаправленно.
Ошибки: (для дискретной техники) называют неправильное значение сигналов на внешних входах изделия, вызванное неисправностями, переходными процессами или помехами, воздействующими на изделие.
Число дефектов, неисправностей, отказов, сбоев, одновременно присутствующих в изделии называют кратностью. Кратность ошибок определена не только кратностью неисправности, из-за которой она возникла, но и структурной схемой изделия, т.к. в результате имеющихся разветвлений в схеме однократная неисправность может вызвать многократную ошибку в последовательных цепях.
Безотказность: свойство изделия, в котором он непрерывно сохраняет работоспособность в течение некоторого времени.
Ремонтопригодность: свойство изделия, заключающееся в приспособленности к предупреждению и обнаружению причин возникновения его отказов, повреждений и устранения их путем ремонта и технического обслуживания.
Методика расчета надежности пильных цепей
Стенд представляет собой стационарное устройство, позволяющее одновременно испытывать два пильных цепных аппарата, состоящих из ведущей звездочки, пильной цепи и пильной шины.
Стенд состоит из сварной станины, к которой при помощи кронштейнов крепятся пильные шины и другие детали пильных аппаратов. На шины устанавливаются испытуемые пильные цепи. Привод ведущих звездочек осуществляется от электродвигателя, имеющего выход вала на две стороны. Вращение вала двигателя на вал ведущих звездочек передается через электромагнитные муфты и ременные передачи.
Для изменения частоты вращения ведущих звездочек (в диапазоне от 3000 до 7000 мин"1, с итерацией в 500 мин"1) использовался набор шкивов, натяжение ремней которых производилось натяжным винтом с помощью маховичка.
Узел имитации нагрузки (контробразец) выполнен в виде жестко закрепленной опорной плиты, на которой расположены два шкива. На оси одного расположено натяжное устройство, на оси другого - нагрузочное (тормозное) устройство, задачей которого является нагружать цепью контробразца испытуемую пильную цепь, и, тем самым, имитировать усилие резания.
Торможение вала ведомого шкива производится асинхронным электродвигателем, работающим в режиме генератора.
Звенья цепи контробразца выполнены с выступами, соответствующими по форме впадинам звеньев испытуемой пильной цепи.
Цепь контробразца опирается на направляющие ролики, опорная поверхность которых находится на равном расстоянии от поверхности направляющей шины по всему участку контакта. Сила прижима (усилие подачи) пильного аппарата контролируется соленоидом, который установлен под контробразцом. Подвод и отвод контробразца (при установке испытуемой цепи) производится механизмом подъема. Натяжение испытуемой цепи (монтажное натяжение) создается за счет ручной тяги.
Для уменьшения нагрева пильной шины на рассматриваемом стенде предусмотрена система принудительного водяного охлаждения, включающая радиатор, установленный на пильной и шине, и трубопровод. Для смазки пильного аппарата на стенде была установлена система, включающая масляный насос, маслопровод, и резервуар. Масло подавалось через паз пильной шины, через смазочное отверстие.
Кроме этого, стенд был снабжен дозатором для подачи абразива и опилок в зону трения, а также ограждением для безопасности.
Регистрация параметров нагружения производилась при помощи осциллографа. Измерения параметров, характеризующих изучаемый процесс, производилось при помощи следующих устройств: сила прижима контробразца и монтажное натяжение - динамометрами; сила сопротивления резанию - по току тормозного двигателя; крутящий момент на валу ведущей звездочки — тензометрическими датчиками; температура пильной шины - термопарой; расход масла и абразива - расходомером; время работы стенда в одном цикле и количество циклов нагружения - счетчиками времени и импульсов.
Анализ конструкции данного стенда показывает, что несмотря на серьезную проработку конструкции, он имеет ряд недостатков, а именно: 1. громоздкость конструкции, и сложность измерительной схемы; 2. невозможность полной адекватной имитации процесса взаимодействия пильной цепи с древесиной.
Этого недостатка лишен стенд, описанный в работе [119].
В целом по данному разделу можно сделать вывод о том, что применяемые для испытаний тяговых и приводных цепей стенды не подходят для испытания пильных цепей, поскольку не позволяют в должной степени имитировать процесс их нагружения в условиях эксплуатации.
Рассмотренные стенды конструкции ЦНИИМЭ и БТИ не позволяют в полной мере воспроизводить условия эксплуатации пильных цепей, задавать сразу нескольким испытуемым цепям идентичные условия нагружения, измерять и регистрировать все основные показатели, характеризую ! щие процесс пиления древесины пильной цепью.
Обоснование оптимального закона скорости подачи при поперечной распиловке круглых лесоматериалов
С прошлого века в нашей стране и за рубежом ведутся работы по усовершенствованию как пильных цепей, так и узлов их привода. Усовершенствование пильных цепей, в основном, осуществлялось путем улучшения их режущих свойств и увеличения надежности. Надежность пильных цепей определяется высокой прочностью, износостойкостью зубьев и шарнирной системы. Применение новых материалов и технологий изготовления дало возможность увеличить прочность, повысить износостойкость зубьев и увеличить наработку на межзаточный период. Однако, с повышением скорости резания, как показывают испытания, долговечность пильных цепей определяется в основной износом шарнирной системы, кроме того, как уже отмечалось, в зимний период эксплуатации имеют место их разрывы.
Конструктивно, пильная цепь представляет совокупность последовательно соединенных элементов (сборочных единиц). Тип каждой сборочной единицы и, соответственно, количество деталей в ней определяется, исходя из типа пильной цепи. Естественно, что структурная схема надежности (ССН), по которой производится оценка надежности будет зависеть от конкретного типа конструкции согласно указанным выше классификационным признакам [132].
С точки зрения рассмотрения общей методики оценки надежности остановимся на наиболее распространенном типе — универсальной цепи с хвостовиками на средних звеньях, неразборного типа (ПЦУ).
Как известно, из теории надежности оценка надежности должна выполняться по двум основным свойствам: безотказности и долговечности. Свойства ремонтопригодности и сохраняемости здесь не рассматриваются, т.к. эти вопросы выходят за рамки данного исследования.
Безотказность. При рассмотрении любого свойства надежности в первую очередь анализируются типы отказов, анализ которых позволяет создать ССН, на основе которой и производится оценка надежности. С точки зрения оценки показателей безотказности известны следующие типы отказов: постепенные отказы, которые возникают вследствие ! изнашивания сопряженных» поверхностей трения, затупления лезвий зубьев цепи. Эти отказы характеризуются предельной величиной износа, ведущей к уменьшению прочности или к возникновению значительных усилий в цепном контуре вследствие нарушения зацепления цепи с ведущей звездочкой; внезапные отказы - разрывы возникают в основном по причине низкого качества изготовления пильных цепей, например, из-за наличия микротрещин, появляющихся в процессе термической обработки их деталей. Производственными испытаниями мелкозвенных цепей установлено, что такие разрывы происходят в основном: в зимний период эксплуатации по проушинам соединительных звеньев и зубьев цепи, а в летних условиях - по проушинам средних звеньев. Внезап ные отказы могут возникать. также в результате нарушения правил технической эксплуатации пил.
На работу цепи в процессе пиления и ее срок службы значительно влияет качество пильных цепей и, в частности, точность изготовления цепей. На стадии изготовления звенья цепи имеют высадку отверстия в нижних частях звена (рис. 2.3, а). Это объясняется тем, что пуансон, пробивая отверстие в заготовке, вырывает по окружности металл, тем самым уширяя кромку отверстия. При изготовления Г-образных зубцов, кроме этого, на стадии гибки заготовки имеет место неравномерный отгиб режущей кромки (рис 2.3, б). На стадии изготовления осей появляются следующие дефекты: необеспечение соосности шеек и буртика оси (рис. 2.3, в), бочкооб 1 разность буртика оси (рис. 2.3, г), несоблюдение размеров по диаметру и длине буртика оси.
Неравномерный отгиб кромки Г-образного зуба приводит к разновы-сотности зубцов по высоте и по ширине. Такие зубья в цепи в процессе пиления участвуют в неодинаковой степени, снимают не одинаковую по толщине и ширине стружку, что приводит к разной степени нагружения зубцов.
Необеспечение соосности шеек и буртика оси в собранной цепи приводит к двум недостаткам: в цепи могут иметь место участки с отклонениями по высоте горизонтальных режущих кромок, что приводит к неодинаковой загруженности зубьев, и в собранной цепи могут быть участки с отклонениями по шагу цепи. Это приводит к неравномерному зацеплению звездочек с цепью, дополнительным ударным нагрузкам на шарнирные соединения.
Бочкообразность буртика оси способствует преждевременному износу шарнирного соединения, В начальный период работы тяговое усилие цепи передается через небольшие контактные площадки буртика оси и отверстием направляющего эвена, В результате воздействия больших удельных давлений происходит смятие сопряженных поверхностей оси и отверстия со стороны приложения нагрузки и их интенсивный износ. Это приводит к увеличению площади оси и звена. В то же время, с другой стороны, противоположной приложению нагрузки, в шарнирном соединении появляется зазор. Этот зазор приводит к увеличению внутреннего шага цепи, т.е. к увеличению расстояния между осями направляющего звена. Происходит удлинение цепи. Кроме этого, зазор в шарнире в сочетании с дру гими дефектами изготовления способствует перекосу блока цепи, тем самым снижая устойчивость цепи.
Несоблюдение размеров по диаметру и длине буртика оси приводит к двум вариантам плохой работы цепи. В первом, когда длина буртика превышает толщину направляющего звена, появляется зазор между боко выми и направляющими звеньями. Во втором, когда диаметр буртика оси меньше диаметра отверстия звена. В обоих вариантах наличие зазора при водит к потере устойчивости цепи в пропиле, к поперечному перекосу звеньев цепи в процессе пиления. , Согласно методике, разработанной в СПбГЛТА доц. Высотиным Н.Е. и доц. Тихоновым И.И., зазоры в шарнирах пильной цепи можно определить при поперечном прогибе цепи под собственной тяжестью и при продольном скручивании.
Влияние качества изготовления пильных цепей на энергетическую эффективность процесса пиления
Для получения достоверных данных сравнительные испытания необходимо проводить в одинаковых технологических условиях. Особое значение это имеет, когда сравниваемые параметры и характеристики цепей очень близки или мало отличаются друг от друга. При работе ручным моторным инструментом на валке или раскряжевке хлыстов очень трудно получить объективные результаты сравнения пильных цепей. Определение затупления зубьев оценивается слишком приближенно. Приемы манипулирования инструментом, усилия и скорости движения не одинаковы. Пиление однородной древесины невозможно. Кроме того невозможно создать и измерить строго определенные режимы в процессе сравнительных испытаний.
Для проведения сравнительных испытаний пильных цепей необходимо установить одинаковые значения влияющих факторов, относящихся к древесине, к технологии пиления и к пильному механизму. Технологические факторы - скорость подачи пильного механизма на образец древесины и скорость резания могут быть установлены одинаковыми для различ-ных пильных цепей путем конструктивных возможностей стенда.
Факторы, относящиеся к пильному механизму - монтажное натяже ние и интенсивность смазки пильных цепей устанавливается при наладке и регулировке механизма. Значения этих факторов регламентируется техни 1 ческими характеристиками и условиями эксплуатации для каждой марки цепей и в процессе испытаний поддерживаются постоянными. Обеспечить постоянными факторы, относящиеся к древесине, прак fa тически невозможно. Поэтому необходимо проводить пиление пильными цепями одновременно на одном и том же образце так, чтобы в зоне пиления физико-механические свойства древесины были максимально приближены к одинаковым. С этой целью пильные шины с разными цепями располагаются на возможно близком расстоянии 30 - 50 мм. При этом исключается взаимное влияние формируемых пропилов и самопроизвольное скалывание отпиливаемых торцевых пластин. Кроме того появляется возможность получать большую наработку на цепи при высокой экономии древе І сины.
Наработка на каждую пильную цепь измеряется вычислением сум марных площадей пропилов по одной стенке. Неправильная, форма почти всякого торца бревна не позволяет получить точные значения наработки. Поэтому ошибку 4 - 8% можно считать допустимой, так как она в одина ковой мере с одним знаком относится ко всем пильным цепям, близко расположенных одна от другой, и на результат измерений влияет одинаково.
Тарировка измерительных каналов проводилась обычными методами при одинаковом креплении пильных аппаратов. Чтобы получить результат сравнения затрачиваемой мощности на пиление, наименьшие показатели одной из пильных цепей принимаются за единицу, а все остальные выражаются в относительных единицах. Перед испытаниями с цепей удалялась антикоррозийная смазка, для чего цепи погружались на 3-4 часа в масляную ванну.
Подготовка пильных цепей заключалась в заточке режущих граней, фуговке одноименных зубьев по высоте, смазке и контроле.
Проверка параметров зубьев производилась у новых пильных цепей или в процессе испытаний. Проверка величины снижения ограничителя подачи производилась через 3-4 заточки. Смазка пильных цепей производилась после каждой заточки, путем погружения цепи на 30-40 минут в масляную ванну.
При проверке состояния пильной цепи фиксировались трещины в металле звеньев, забоины на режущих кромках, проворот осей в звеньях. Периодически контролировался средний шаг цепи. При его увеличении более чем на 5 % цепи снимались с испытаний, как достигшие предельного состояния.
В процессе испытаний на экспериментальном стенде происходит штатная распиловка бревен, а для контрольных замеров распиливаются брусья. За один рабочий ход три пилы, установленные на каретке параллельно друг другу, отпиливают от бревна три сплошных диска. Для обеспечения устойчивого остатка бревна, при совершении последних пропилов, оставляется остаток длиной 0,5 м.
Измеряемыми параметрами в процессе сравнительных испытаний являются: Рр - сила резания, измеряемая на инструменте; Р0 - сила отжима пильной шины древесиной, измеряемая на инструменте; Ng - мощность, потребляемая электродвигателем из сети, а также продолжительность наработки на отказ. Сила отжима Р0 измеряется в середине высоты пропила и представляет собой результат совместных отжимов, воспринимаемых всеми зубцами в пропиле. Значения Р0 и Рр фиксируются на осциллограмме, а мощность Ng записывается самопишущимся ваттметром. Образец осциллограммы приведен на рис. 3.9.
