Содержание к диссертации
Введение
CLASS 1. Состояние вопроса CLASS 8
1.1. Основные сведения о пилении древесины круглыми пилами 8
1.2. Выбор режимов пиления древесины на круглопильных станках 13
1.3. Термоустойчивость круглых пил и снижение температурного перепада по радиусу диска 26
1.4. Силы и мощность резания при продольном пилении древесины круглыми пилами 31
1.5. Выводы, цель и задачи исследования 37
2. Теоретические и экспериментальные исследования начальной жесткости круглых пил 39
2.1. Вступительные замечания 39
2.2. Метод расчета изгибной жесткости круглых пил 41
2.3. Собственная жесткость круглых пил без направляющих... 45
2.4. Начальная жесткость круглых пил с направляющими 49
2.5. Влияние на начальную жесткость круглых пил проковки (вальцевания) 56
2.6. Экспериментальные исследования начальной жесткости круглых пил 62
2.6.1. Описание экспериментальной установки 62
2.6.2. Методика исследований 63
2.6.3. Результаты исследований 68
2.7. Выводы 69
3. Теоретические исследования устойчивости круглых пил от температурного перепада по их радиусу 71
3.1. Вступительные замечания 71
3.2. Исследования жесткости и устойчивости круглых пил от температурного перепада 72
3.3. Выводы 83
4. Исследования рабочей жесткости круглых пил 84
4.1. Теоретические исследования 84
4.2. Экспериментальные исследования рабочей жесткости круглых пил
4.2.1. Описание экспериментальной установки 92
4.2.2. Методика исследований 92
4.2.3. Результаты исследований 97
4.3. Выводы 99
5. Экспериментальные исследования точности пиления древесины круглыми пилами 100
5.1. Вступительные замечания и постановка задач исследования 100
5.2. Методика исследований 100
5.2.1. Описание экспериментальной установки 100
5.2.2 Выбор постоянных и переменных факторов 104
5.2.3 Оценочные показатели и методы их измерения 106
5.2.4 Объем, содержание и последовательность проведения опытов 107
5.2.5. Выбор постоянных и переменных факторов 108
5.3. Результаты исследования 109
5.4. Выводы 113
6. Выводы и рекомендации 117
- Выбор режимов пиления древесины на круглопильных станках
- Экспериментальные исследования начальной жесткости круглых пил
- Теоретические исследования
- Выбор постоянных и переменных факторов
Введение к работе
Актуальность темы
Перед лесопильно-деревообрабатывающей промышленностью стоит задача перехода от экстенсивного пути развития к интенсивному, при котором обеспечивается в возрастающих объемах получение пилопродукции высокого потребительского качества при минимальных расходах сырья, материалов, энергии и человеческих ресурсов. Это может быть достигнуто при совершенствовании методов и режимов подготовки и эксплуатации дереворежущих инструментов и станков, модернизации и создания нового деревообрабатывающего оборудования.
Из всего парка деревообрабатывающего оборудования, применяемого в лесопильно-деревообрабатывающей промышленности, круглопильные станки составляют более 30%. Повышение интенсификации их работы оказывает существенное влияние на технико-экономические показатели работы лесопильно-деревообрабатывающих предприятий.
Эффективность пиления древесины на круглопильных станках в значительной степени зависит от точности пиления, так как она влияет на производительность круглопильных станков, объемный выход пиломатериалов и энергозатраты. Отсюда следует, что работа, направленная на изучение точности пиления древесины круглыми пилами и определение направлений ее повышения является актуальной.
Цель и задачи исследований
Цель работы - разработать аналитический метод оценки точности пиления древесины круглыми пилами и дать рекомендации по повышению точности размеров пиломатериалов, получаемых на круглопильных станках.
Для достижения поставленной цели определены следующие задачи исследований.
Выполнить теоретические и экспериментальные исследования начальной жесткости круглых пил.
Выполнить теоретические исследования устойчивости круглых пил.
Разработать аналитический метод оценки точности пиления древесины на круглопильных станках.
Проверить аналитический метод оценки точности пиления древесины круглыми пилами в условиях близких к производственным.
Дать рекомендации по повышению точности пиления древесины круглыми пилами.
Научная новизна результатов исследований
Разработан аналитический метод определения точности пиления древесины круглыми пилами.
Разработаны математические модели жесткости и устойчивости круглых пил.
Выполнена проверка аналитического метода определения точности пиления древесины круглыми пилами.
Методы исследований:
При выборе направления исследования, оценке точности пиления древесины и расчета сил резания применялись методы теории резания древесины.
При теоретических исследованиях жесткости и устойчивости круглых пил использовались методы теории упругости.
Расчеты выполнялись с использованием программных комплексов Mathcad, Mathlab и ANSYS (МКЭ).
Полученные аналитические зависимости проверялись с использованием метода конечных элементов (программы АРМ Structure 3D и ANSYS)
Обработка экспериментальных данных проводилась с использованием методов математической статистики и программного комплекса Mathcad.
Обоснованность и достоверность результатов подтверждается:
Аргументированностью принятых допущений при теоретических исследованиях.
Использованием современных методов фундаментальной науки при теоретических исследованиях.
Выполнением значительного объема экспериментальных исследований.
Сходимостью результатов теоретических и экспериментальных исследований.
На защиту выносятся:
Аналитический метод определения точности пиления древесины круглыми пилами.
Результаты теоретических исследований жесткости и устойчивости круглых пил.
Результаты экспериментальных исследований точности пиления древесины круглыми пилами.
Практическая значимость работы
Результаты исследований могут быть использованы:
При оценке значимости работ, направленных на повышения точности пиления древесины круглыми пилами.
При разработке режимов пиления древесины круглыми пилами.
При модернизации действующих круглопильных станков.
При создании круглопильных станков новых конструкций.
Апробация работы
Основные положения диссертации и материалы исследований докладывались на научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава Севмашвтуза (г.Северодвинск) и АГТУ (г.Архангельск) в 2006-2010 г.
Публикации
По материалам диссертации опубликовано пять печатных работ, в том числе две по списку ВАК.
Структура и объем работы
Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, выводов и рекомендаций, списка литературы из 86 наименований. Общий объем работы 128 страниц машинописного текста, включая 49 рисунков и 17 таблиц.
Выбор режимов пиления древесины на круглопильных станках
Для повышения производительности круглопильных станков в первую очередь необходимо улучшить их использование за счет повышения коэффициентов использования рабочего и машинного времени. Реализация этого направления повышения производительности жестко связана с повышением технической и технологической культуры работников, обслуживающих круглопильные станки.
Наибольшее влияние на производительность станка оказывает величина скорости подачи распиливаемого материала. Существует четыре ограничения скорости подачи: по заполнению межзубовых впадин; по шероховатости поверхности пиломатериалов; по мощности привода и по точности пиления. Из четырех скоростей подачи, рассчитанных по этим ограничениям, принимается наименьшая.
Ограничение скорости подачи по заполнению межзубовых впадин. Срезаемая зубьями пилы стружка (опилки) размещается во впадинах между зубьями и удаляется выходя из пропила. Принципиально возможно переполнение межзубовых впадин опилками. Это приводит к резкому увеличению потребляемой мощности, нагреву пил, ухудшению качества пиломатериалов. Определение максимально допустимой скорости подачи ограничением по заполнению межзубовых впадин с дано в работе [49]. Она для разведенных зубьев определяется по формуле, м/мин
Расчеты показывают, что для обычных для практики условий ограничение скорости подачи по заполнению межзубовых впадин не наступает [54].
Ограничение скорости подачи по мощности привода механизма резания. Максимально допустимая скорость подачи, м/мин по мощности привода определяется по формулам [49]:
Это ограничение необходимо учитывать при конструировании круглопильных станков. Мощность электродвигателя механизма резания должна выбираться с учетом условий эксплуатации характерных для данного станка.
Ограничение скорости подачи по шероховатости поверхности пиломатериалов.
Шероховатость поверхности распиловки древесины по ГОСТ 7016-75 характеризуется параметром R:max - максимальной высотой неровностей. Значение R:max зависит в основном от подачи на зуб и. и кинематического угла встречи. При продольной распиловки значение и2 выбирается по номограмме (рис. 1.5) в зависимости от требуемой шероховатости поверхности пиломатериалов RzmaK, угла выхода зуба из древесины (рв и способа подготовки зубьев (развод или плющение). Формулы для расчета (рв приведены в работе [54]. Ограничение скорости подачи по термостойкости пилы. При продольном пилении древесины периферийная зона круглой пилы нагревается сильнее центральной. При температурном перепаде по радиусу круглой пилы выше критической величины АГ АТкр диск пилы теряет устойчивость плоской формы равновесия. Работами, выполненными в ЦНИИМОДе [58] показано, что при пилении древесины пилой, потерявшей устойчивость образуется волнообразный пропил, что приводит к браку пиломатериалов по точности их размеров. Максимально допустимый температурный перепад по радиусу диска пилы [49] АГдГ=0,85.АГ;іп, (1.15) А ТЧПІП где Ыду - разница температур по радиусу диска пилы, соответствующая началу потери динамической устойчивости, С Температурный перепад " 8,22.10 .Ш- (Мб) ; Значения величин, входящих в формулу (1.16) и рекомендации по их выбору даны в работе [49]. Учитывая взаимосвязь между мощностью резания Nрез и температурным перепадом А Г, а также зависимость Npe3 от скорости подачи распиливаемого материала, в работе [49] получены следующие формулы для определения скорости подачи по термоустойчивости круглой пилы.
Экспериментальные исследования начальной жесткости круглых пил
В предыдущих разделах этой главы теоретическим путем была определена начальная жесткость круглой пилы, установленной без направляющих и с направляющими. Необходимо выполнить экспериментальные исследования для проверки допущений, принятых при теоретических исследованиях и адекватности полученной математической модели. Экспериментальные исследования выполнялись на установке, созданной в лаборатории сопротивления материалов Севмашвтуза (г.Северодвинск).
Схема экспериментальной установки показана на (рис. 2.8) Основой для экспериментальной установки (рис. 2.9, 2.10) являлся фрезерный станок к которому с помощью кронштейнов крепились следующие элементы: пила в зажимных фланцах, направляющая, устройство натяжения, создающие поперечную силу и индикаторная стойка. Направляющая состоит из кронштейна и регулировочного винта. Устройство натяжения состоит из груза и нити переброшенной через блок.
Прогиб пилы зависит от большого количества факторов. Их можно разделить на постоянные и переменные.
В данной работе не ставится цель экспериментальным путем изучить влияние всех перечисленных факторов на прогиб пилы (это сделано в результате теоретических исследований), а проверить справедливость допущений, принятых при разработке математической модели жесткости круглых пил.
Постоянные факторы
Для проведения исследований была взята круглая пила (3420-0228 по ГОСТ 980-80), имеющая следующие основные параметры: наружный диаметр D =500 мм; 1 =456 мм; диаметр посадочного отверстия і=50мм; олщина диска пилы 5=2,2 мм; диаметр зажимных фланцев с/ф =125 мм.
Выбор этой пилы объясняется тем, что круглые пилы с такими параметрами широко применяются в лесопилении.
Переменные факторы. - поперечная сила Q, Н; - наличие направляющей; - зазор между направляющей и диском пилы А, мм; - место приложения нагрузки по отношению к направляющим. Оценочные показатели и методы их измерения. Оценочным показателем является прогиб пилы в точке приложения поперечной силы. Измерения выполнялись стрелочным индикатором часового типа МИГ-1 с точностью измерений 0.001 мм.
Основной задачей опытов являлась проверка допущений, принятых при теоретических исследованиях. Все опыты состояли из 3 серий
В первой серии опытов исследовалось влияние поперечной силы на прогиб пилы. Сила менялась от 6,87 Н до 21,60 Н через 4,91 Н. Серия состояла из 4 опытов.
Во второй серии опытов исследовалось влияние поперечной силы на прогиб пилы, при наличии направляющей, установленной без зазора (А=0). Сила менялась от 6,87 Н до 21,60 Н через 4,91 Н. Серия состояла из 4 опытов.
В третьей серии опытов исследовалось влияние поперечной силы на прогиб пилы, при наличии направляющей, установленной с зазором (А =0,5 мм). Сила менялась от 6,87 Н до 21,60 Н через 4,91 Н. Серия состояла из 4 опытов.
Методическая сетка опытов приведена в табл. 2.4
№ п/п Наименование факторов Обоз-нач. Ед. Изм. Числовые значения факторов серия 2 серия 3 серия
1 Параметры пилы:- наружный диаметр- диаметр пилы полинии межзуб. впадин- диаметр посадочногоотверстия- толщина диска пилы- диаметр зажимныхфланцевПоперечная сила Dd sQ мм ммMMMM MMH 500 456502,2 125от 6,87 до 21,60 через 4,91
2 Наличие направляющей - - нет есть есть
3 Величина зазора между направляющей и пилой А MM - 0,0 0,5
Оценочные показатели
1 Прогиб пилы w MM - - Результаты опытов обрабатывались методами математической статистики. После проведения каждого опыта на персональном компьютере с помощью программы MathCad рассчитывались следующие статистические характеристики:
Теоретические исследования
Как отмечалось ранее под рабочей жесткостью пилы понимают жесткостью пилы при работе (пилении), когда на нее действуют силы сопротивления резанию (Р, R и Q) и температурный перепад AT. Определим влияние на рабочую жесткость круглой пилы радиальной Р и касательной R сил сопротивления резанию. Расчетная схема круглой пилы дана на рис. 4.1.
Определим зависимость рабочей жесткости круглой пилы jр от величины радиальной Р. При исследовании изгиба пластины в дифференциальное уравнение (2.5) необходимо ввести добавочные члены, учитывающие напряжения в пластине вызванные этой силой. Уравнение для изогнутой пластины примет вид: Напряжения crr, Jg и т определяются путем решения плоской задачи теории упругости. В данном случае задача не симметрична. Существуют все напряжения и они зависят от обоих координат: с-, =сгг(г,в), ств=ав(г,в) , т(г,в). Аналитическое решение этой задачи представляет значительные трудности, поэтому расчеты выполнялись с помощью метода конечных элементов (МКЭ) [11, 22, 27], с использованием программного комплекса ANSYS [2, 3]. Метод конечных элементов - это численный метод решения задач прикладной физики. Метод широко используется для решения задач механики деформируемого твердого тела. ANSYS - универсальная программная система конечно-элементного (МКЭ) анализа, существующая и развивающаяся на протяжении последних 30 лет. Разрабатывается американской компанией ANSYS Inc. Сущность метода конечных элементов состоит в аппроксимации исследуемого тела некоторой моделью, которая представляет собой совокупность элементов с конечным числом степеней свободы. Эти элементы взаимосвязаны только в узловых точках, куда прикладываются фиктивные силы, эквивалентные поверхностным напряжениям, распределенным по границам элементов. Параметры приведенной идеализированной системы определяются исходя из соответствующих вариационных решений. Расчетная схема круглой пилы при определении jp = f(P) методом конечных элементов (МКЭ) приведена на рис. 4.2. Диск круглой пилы представляет тонкую стальную пластину с круглым отверстием в центральной части. Конечно-элементная модель диска пилы дана на рис. 4.3. Расчеты прогиба пилы w и ее рабочей жесткости jр в зависимости от величины радиальной силы сопротивления резанию Р выполнялись с использованием программного комплекса ANSYS. Одновременно определялось и изменение низшей частоты собственных колебаний /с. Результаты расчетов приведены в табл. 4.1. Теоретические исследования показали, что изменение рабочей жесткости круглой пилы от величины силы Р, а, следовательно, и от режимов пиления имеет тот же характер, что и у рамных и ленточных пил, то есть условие точного пиления древесины круглыми пилами может быть также представлено выражением (1.20). W,MM /с Тц j?p?H/MM 8 б Установлено, что при увеличении силы Р частота собственных колебаний уменьшается и принципиально возможно при снижении частоты собственных колебаний до частоты вынужденных колебаний явление резонанса. В тоже время расчеты показывают, что при таком увеличении силы Р рабочая жесткость снижается настолько, что необходимая точность пиления не обеспечивается. При пилении древесины с режимами, обеспечивающими требуемую точность пиления пила находится, как правило, вне резонансной зоны, и это объясняет возможность использования статических методов расчета точности пиления при динамических нагрузках. Для того, чтобы использовать условие точного пиления древесины круглыми пилами (1.20) или вычислить значение рабочей жесткости jр необходимо знать значение критической радиальной силы Ркр для данной пилы. Конструкции и их элементы при действии на них внешних нагрузок должны находиться в состоянии устойчивого равновесия. Выход системы из первоначального состояния равновесия называется потерей устойчивости, а нагрузка, соответствующая потере устойчивости, называется критической. Определение этой нагрузки является основной целью расчета на устойчивость. В зависимости от того, является действующая нагрузка статической или динамической, различают статическую или динамическую устойчивость. Из п возможных форм неустойчивого равновесия системы с п степенями свободы практически вероятна лишь первая, а остальные возможны при создании соответствующих дополнительных условий. Анализ устойчивости используется как для определения уровня нагрузки, при которой конструкция теряет устойчивость, так и для выяснения, сохраняет ли конструкция устойчивость при заданном уровне нагрузки. В программе ANSYS существует возможность выполнять два типа анализа устойчивости: в линейной и нелинейной постановке. При определении критической радиальной силы Ркр решалась задача в линейной постановке. В программе ANSYS при выполнении линейного анализа устойчивости решается задача на собственные значения. При достижении силы своего критического значения низшая частота собственных колебаний превращается в нуль. С помощью метода конечных элементов определялись значения критической радиальной силы Ркр для различных пил. Результаты расчета приведены в табл. 4.2.
Выбор постоянных и переменных факторов
Точность пиления зависит от большого количества факторов, из них главными являются:
- порода древесины; - влажность древесины; - высота пропила; - режимы пиления (скорость резания и скорость подачи); - точность базирования распиливаемого материала; - размеры диска пилы; - угловые и линейные размеры зубьев пилы; - качество подготовки пилы работе.
В данной работе не ставится цель экспериментальным путем изучить влияние всех перечисленных факторов на точность пиления (это сделано в результате теоретических исследований), а проверить справедливость полученных теоретических зависимостей.
Постоянные факторы
Режущий инструмент. Для проведения исследований в качестве режущего инструмента была взята круглая пила (для продольной распиловки древесины) исполнения 1 (с ломаной задней кромкой зубьев), имеющей следующие основние параметры: наружный диаметр D=500 мм, диаметр осадочного отверстия d =50 мм, толщина диска пилы s =2,2 мм, число зубьев z =60.
Угловые и линейные параметры зубьев пилы:
, п 180 СЛЛ 180 -шаг t3=D-sm = 500-sin—— = 26,2мм; z oU - длина задней грани /3 = 10,5 мм; - передний угол у = 35; - задний угол а = 15; - угол заострения /? = 40; -уголрезания 8 = 55; - уширение зубьев на сторону s - 0,6 мм; - высота зуба /г3 = 13,1 мм; - радиус межзубовых впадин г = 4,6 мм.
Влажность древесины распиливаемых досок была в диапазоне 18 ... 22%. Она соответствовала транспортной влажности пиломатериалов.
Скорость резания была принята постоянной, равной v=50 м/сек. В соответствии с ГОСТ 980-80 [21] при продольной распиловки древесины скорость должна находиться в пределах 40 ... 60 м/сек. Скорость 50 м/сек, как отмечается в работе [54], принято называть нормальной скоростью резания. На круглопильном станке 6Ц-2ИТ возможны частоты вращения рабочего вала 2350 и 4500 об/мин, что соответствует скорости резания 61,5 м/сек и 117,8 м/сек. Обе скорости неприемлемы. Необходимая частота вращения для получения скорости резания 50 м/сек равна 1910 об/мин. Такая частота вращения достигалась с помощью частотного преобразователя EI-9011.
Подготовка зубьев и диска пилы к работе выполнялась в соответствии с требованиями технологических режимов РПИ 6.6 [73].
Расстояние Ал между зажимными фланцами и нижней пластью распиливаемого материала равно 17,5 мм.
Переменные факторы.
Высота пропила влияет на силы резания, а, следовательно, на точность пиления. Были приняты следующие высоты пропила: h =50, 75, 100 мм.
Скорость подачи также оказывает влияние на силы резания и точность пиления. В опытах приняты следующие скорости подачи: и= 3,5; 5; 7; 10 м/мин.
В каждом опыте для определения S бралась выборка из 4 досок. Таким образом, в выборке делалось 40 замеров толщины доски и в результате статистической обработки замеров определялось среднеквадратическое отклонение толщины отпиленного материала от среднего значение. Если в результате статистической обработки результатов опыта показатель точности опыта Р получается больше 5%, то число наблюдений в выборке должно быть увеличено. Должно быть выполнено условие Р 5%. Вторым оценочным показателем процесса пиления древесины является мощность, затрачиваемая на резание Npe3. Ее значение необходимо для определения удельной работы резания и сил резания. Мощность, подводимая к электродвигателю Nde, определялась с помощью частотного преобразователя EI-9011, который может выполнять и эту функцию. Точность замеров мощности составляла 0,1 кВт.Оценочным показателем точности пиления является разнотолщинность отпиливаемого материала (досок), оцениваемая среднеквадратическим отклонением S. При распиловке бруса (доски) длиной 3000 мм отпиливаются доски с номинальной толщиной 19 мм. Фактическая толщина досок определяется с помощью индикторного толщиномера ТР50-1600. У каждой отпиленной доски делалось 10 замеров - 5 у верхней кромки и 5 у нижней, как показано на рис. 5.5.
