Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ существующих механизмов резания ленточнопильных станков и обзор работ по теме диссертации 16
1.1. Состав двушкивной компоновочной схемы механизма резания ленточнопильного станка и анализ условий работы ленточных пил при распиловке древесины 16
1.2. Обзор работ, посвященных вопросам распиловки древесины ленточными пилами 35
1.3. Обзор работ, выполненных в области передач гибкой связью 64
1.4. Современные направления развития механизмов резания деревообрабатывающих ленточнопильных станков 85
Выводы, цель и задачи работы 96
2. Физические основы передачи тягового усилия ленточной пилой 99
2.1. Анализ условий сообщения движения ленточным пилам в механизмах резания ленточнопильных станков 99
2.2. Физические процессы, происходящие при передаче движения ленточным пилам в механизмах резания ленточнопильных станков 107
2.3. Пути повышения эффективности работы ленточных пил при распиловке древесины 123
3. Устойчивость и несущая способность ленточных пил при распиловке древесины 133
3.1. Кинетостатический анализ напряженного состояния ленточных пил... 133
3.2. Условия сохранения устойчивости ленточных пил в пропиле 143
3.3. Прогнозирование ресурса ленточных пил по усталостной долговечности 155
4. Ленточнопильные станки на основе длинных контактов трения относительного покоя 168
4.1. Механизмы резания ленточнопильных станков на основе длинных контактов трения относительного покоя 168
4.2. Тяговые характеристики механизмов резания ленточнопильных станков при передаче рабочего движения ленточной пиле 177
4.3. Механизмы резания ленточнопильных станков со «слабонатянутой» ленточной пилой 193
5. Оценка эффективности ленточнопильных станков на основе длинных контактов трения относительного покоя 205
5.1. Методика и результаты оценки тяговых характеристик ленточнопильных станков на основе длинных контактов трения относительного покоя 205
5.2. Результаты технологической оценки эффективности работы ленточнопильных станков на основе длинных контактов трения относительного покоя 218
Выводы и результаты 233
Литература 235
Приложение
- Обзор работ, посвященных вопросам распиловки древесины ленточными пилами
- Физические процессы, происходящие при передаче движения ленточным пилам в механизмах резания ленточнопильных станков
- Условия сохранения устойчивости ленточных пил в пропиле
- Тяговые характеристики механизмов резания ленточнопильных станков при передаче рабочего движения ленточной пиле
Введение к работе
Актуальность темы. В настоящее время в мировой практике деревообработки двушкивные ленточнопильные станки занимают ведущие позиции на операциях продольного деления древесины, производстве черновых заготовок, столярных изделий и в ряде других случаев [68, 190, 203]. Более широкому распространению ленточнопильного оборудования препятствует его небольшая производительность, недостаточная надежность ленточных пил и низкая точность распиловки [144, 190, 197]. У традиционных двуш-кивных механизмов резания деревообрабатывающих ленточнопильных станков имеются две основные проблемы:
1 - недостаточная устойчивость ленточных пил,
2 - недостаточный ресурс пил по усталостной долговечности. Особенно актуальной остается проблема повышения устойчивости
ленточных пил, так как от ее решения зависит рост производительности ленточнопильных станков и улучшение качества получаемой пилопродукции [141, 143]. Попытки повысить устойчивость пил за счет применения различных направляющих устройств, варьирования форм ободов шкивов и использования ряда других технических решений внесли существенный прогресс в данной области. Тем не менее проблема до конца не была решена и потребовала нетрадиционных решений [221], связанных с разработкой новых концептуальных основ развития механизмов резания деревообрабатывающих ленточнопильных станков.
При анализе ранее выполненных работ и физических процессов, возникающих в ленточнопильных станках, был сделан вывод о том, что эффективность работы ленточных пил может быть повышена за счет новых конструктивных схем механизмов резания с сообщением движения ленточной пиле на основе длинных контактов трения относительного покоя посредством многоконтурной передачи гибкой связью «шкив — гибкий рабочий орган -ленточная пила» [151, 222, 223].
Повышенная устойчивость ленточных пил позволит увеличить производительность и точность распиловки древесины на ленточнопильных станках, повышенная усталостная долговечность - снизить эксплуатационные затраты при ленточнопильной распиловке древесины.
Без решения проблемы повышения устойчивости и усталостной долговечности ленточных пил невозможно дальнейшее развитие ленточнопиль-ного оборудования и какой-либо прогресс в области обработки древесины ленточными пилами [202].
Цель работы - повышение устойчивости и усталостной долговечности ленточных пил при распиловке древесины.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
1. Создать концептуальную теоретическую базу для разработки ленточнопильных станков с повышенной точностью, производительностью распиловки и ресурсом ленточных пил;
2. Разработать теоретические и экспериментальные методы исследования условий сообщения движения ленточной пиле. Установить их взаимосвязь с устойчивостью и несущей способностью ленточных пил;
3. Разработать теоретические и экспериментальные методы оценки устойчивости и несущей способности ленточных пил и способы их повышения;
4. Определить рациональные компоновочные схемы механизмов резания ленточнопильных станков на основе длинных контактов трения относительного покоя с повышенной устойчивостью и несущей способностью ленточных пил;
5. Провести на базе опытных образцов практические исследования, подтверждающие теоретические предпосылки. Провести оценку новых схем механизмов резания ленточнопильных станков на основе длинных контактов трения относительного покоя и определить из них наиболее приемлемые для потребностей деревообрабатывающей промышленности.
Объектом исследования являются конструкции и рабочие процессы в механизмах резания ленточнопильных станков, ленточные пилы шириной 5 -85 мм, выпиливаемые пиломатериалы и получаемые опилки.
Предметом исследования являются параметры движения, устойчивость и несущая способность ленточных пил, производительность распиловки древесины и точность получаемых пиломатериалов.
Методы исследования. Для теоретических исследований использовались: теория резания древесины, теория передач гибкой связью, теория передач трением, теория прочности, упругости и устойчивости, теория машин, физика твердого тела, металлофизика и физическая мезомеханика, тензорное исчисление. Для экспериментальных исследований применялись: гибкий экспериментальный модуль на базе циклопозиционного горизонтального ленточнопильного бревнопильного станка легкого класса с возможностью варьирования конструктивных схем сообщения движения ленточным пилам; экспериментальная установка на базе столярного ленточнопильного станка легкого класса; натурные образцы бревнопильных, делительных, тарных и столярных ленточнопильных станков; типовые и нестандартные методики исследований; стандартные приборы, оборудование и программы; методы прикладной статистики.
Научная новизна:
1. Разработаны математические модели трибофизических условий сообщения движения ленточной пиле, оценки устойчивости ленточных пил в динамике, прогнозирования ресурса пил по сопротивлению усталости;
2. Установлены трибофизические процессы при сообщении движения в системе «шкив - ленточная пила», их влияние на устойчивость ленточных пил и возникновение двухмерной дисторсии траектории резания; 3. Показаны преимущества многоконтурной передачи «шкив - гибкий рабочий орган - ленточная пила» по сравнению с передачей «шкив - ленточная пила» и предложены аналитические зависимости для определения опорных параметров гибких промежуточных рабочих органов привод-направляющих и направляющих устройств ленточнопильных станков;
4. Теоретически обоснованы компоновочные схемы механизмов резания ленточнопильных станков с сообщением главного движения ленточной пиле на основе длинных контактов трения относительного покоя и со «слабонатянутой» ленточной пилой.
На защиту выносятся:
- результаты теоретических и экспериментальных исследований, позволяющие установить связь трибофизических процессов в передаче «шкив -ленточная пила» с условиями обеспечения устойчивости ленточных пил при распиловке древесины;
- обоснование условий формирования устойчивых опорных реакций в ленточной пиле возле зоны резания, противодействующих усилию подачи со стороны распиливаемого материала, исключающих поперечные смещения пилы относительно шкивов и повышающих устойчивость ленточных пил;
- результаты определения условий движения и торможения в передачах «шкив - гибкий рабочий орган - ленточная пила», позволяющие снижать уровень напряжений в ленточных пилах и повышать их ресурс по усталостной долговечности.
Достоверность и обоснованность результатов обеспечена применением адекватного математического аппарата и современных методик экспериментальных исследований, сходимостью результатов теоретических и экспериментальных исследований, анализом практических наблюдений за работой ленточнопильных станков с новыми компоновочными схемами механизмов резания. Практическая значимость полученных результатов работы заключается в том, что:
- разработана теоретическая база для создания ленточнопильных станков на основе длинных контактов трения относительного покоя с повышенной устойчивостью и повышенным ресурсом ленточных пил по усталостной долговечности;
- обоснованы и разработаны новые схемы механизмов резания ленточнопильных станков: полноприводная; на основе длинных контактов трения относительного покоя; со «слабонатянутой» ленточной пилой;
- разработаны привод-направляющие и направляющие устройства ленточно-конвейерного типов и способ регулировки положения ленточной пилы путем разворота таких устройств в сторону распиливаемого материала;
- предложена методика определения эффективности работы различных схем механизмов резания ленточнопильных станков путем сравнения: тяговых характеристик; производительности распиловки по скорости подачи; точности сечений получаемых пиломатериалов;
- по результатам работы разработаны, изготовлены и внедрены в производство более ста циклопозиционных горизонтальных ленточнопильных станков;
- результаты исследований использованы в учебном процессе при подготовке инженеров по специальностям 15040565 «Машины и оборудование лесного комплекса» и 25040365 «Технология деревообработки».
Апробация работы. Основные положения диссертации обсуждались на научно-технических конференциях лесотехнического института и семинарах кафедры машин, оборудования и технологии деревообработки Томского государственного архитектурно-строительного университета (г. Томск 1999 - 2005); на научно - практических семинарах лаборатории композиционных материалов института физики прочности и материаловедения Томского филиала Сибирского отделения РАН (1999, 2004); на X (юбилейной) международной научно-технической конференции в Томском политехническом университете (2004); на 8 - ом международном симпозиуме KORUS -2004 (г. Томск 2004); на II - ой международной научно-технической конференции «Современные проблемы машиностроения» (г. Томск 2004); на научно-практическом семинаре кафедры станков и инструментов Сибирского государственного технологического университета (г. Красноярск 2004), на научно-практическом семинаре кафедры станков и инструментов Уральского государственного лесотехнического университета (г. Екатеринбург 2005).
Публикации. По теме диссертации опубликована 31 работа, включая 7 патентов Российской Федерации и монографию. Из них 14 работ опубликовано в изданиях, рекомендуемых ВАК для докторских диссертаций.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, выводов и результатов, списка литературы из 232 наименований, 3 приложений, имеет объем 279 страниц машинописного текста, содержит 80 рисунков и 18 таблиц.
Обзор работ, посвященных вопросам распиловки древесины ленточными пилами
Исследованиям процессов распиловки древесины ленточными пилами посвящены работы М.А. Дешевого, А.Э. Грубе, А.Е. Феоктистова, Г.Ф. Прокофьева, Н.П. Рушнова, СП. Почекутова, В.М. Кузнецова, Ю.В. Плотникова, В.И. Веселкова, В.П. Власова, A.M. Кузнецова, В.И. Санева, А.В. Грачева, Ю.В. Малышева, Э.П. Берлина, Ю.В. Вологдина, Г.К. Ступнева, Г.Ф. Дружкова, Э.В. Трухина, М.Ю. Варакина, Л.Г. Швамма, Ю.А. Филиппова, В.Ф. Фонкина, И.И. Трубникова, В.Н. Хлебодарова, В.А. Худякова, Н.Н. Меныпуткина и др. Работы можно классифицировать по следующим направлениям:1) Работы, посвященные вопросам прочности и устойчивости ленточных пил, связанные с технологией подготовки их к работе, геометрией режущих элементов, свойствами материалов пил [9, 12, 14, 21, 22, 23, 61, 67, 81, 82, 83, 92, 95, 98, 102, 136, 140, 142, 144, 154, 156, 174, 175, 177, 178, 181, 183, 184, 188, 190, 210, 215, 216, 217, 218, 220].2) Работы, посвященные вопросам устойчивости ленточных пил, связанные с типами и конструкцией направляющих устройств, формой рабочих поверхностей шкивов, их материалами [13, 21, 54, 68, 92, 95, 123, 124, 130, 131, 141, 144, 178, 182, 186, 187, 197,220,221].3) Работы, связанные с условиями сообщения рабочего движения ленточной пиле [68, 84, 120, 121, 122, 125, 126, 130, 132, 141, 143, 144, 151, 190, 215,216,218,221,229].4) Работы, связанные с конструкциями ленточнопильных станков, в том числе с конструкцией привода, имеющие целью повышение производительности и качества распиловки древесины [54, 68, 74, 94, 103, 120, 121, 112, 125, 126, 130, 132, 144, 151, 190, 215, 218, 221, 229]. 5) Работы, посвященные точности и производительности распиловки древесины ленточными пилами, связанные с режимами работы ленточно-пильных станков [5, 6, 15, 29, 63, 68, 70, 75, 89, 93, 100, 103, ПО, 153, 165, 177,187, 190,193,196,205].6) Работы, посвященные специальным вопросам распиловки древесины ленточными пилами [27, 68, 130, 132, 133, 180, 190, 206, 207].
Более подробно остановимся лишь на тех работах, которые рассматривают вопросы устойчивости и несущей способности ленточных пил (т.е. вопросы прочности, жесткости, устойчивости и сопротивления усталости). Работ, связанных с рассмотрением трибофизических процессов в передаче гибкой связью «шкив - ленточная пила» к настоящему времени нет, хотя конструирование механизмов резания ленточнопильных станков с нетрадиционными системами сообщения движения ленточной пиле идет постоянно.
Из ранее выполненных работ наиболее полными являются исследования [61, 62], посвященные вопросам эксплуатации ленточных пил и ленточнопильных станков. В них подробно рассматриваются действующие напряжения в ленточных пилах (в кинетостатике) и дается методика их расчета. Аналогичным вопросам прочности ленточных пил посвящены работы [184, 188, 190], которые дополняют ранее разработанную методику и отдельно рассматривают вопросы устойчивости и сопротивления усталости ЛП.
Проведенный авторами кинетостатический анализ действующих сил и напряжений в ленточной пиле ведет к их простому суммированию. Отмечается, что напряженное состояние ЛП оценить довольно сложно, так как размеры поперечного сечения (толщина и ширина) различаются в несколько десятков раз, а на различных участках при работе ЛП возникают различные виды нагружения и, соответственно, разные уровни напряжений. В некоторых исследованиях [61, 190] напряжения в ЛП при работе рассматриваются как сумма невзаимосвязанных напряжений, действующих по всей ее длине: где о0, оюг, оцс, овал, онаг, анак, арез, а - напряжения от сил предварительного натяжения пилы Fo, изгиба на шкивах, от центробежных сил, от степени вальцевания, от нагрева, от наклона шкивов, от сил резания, и прочие напряжения.
Прочность ленточной пилы должна превосходить суммарную величину действующих напряжений, которые [61, 190, 210 и др.] не должны превышать 400...500 МПа, при статическом коэффициенте запаса прочности К= 2. При этом за опасное сечение принимается либо место сращивания ленточной пилы (место электроконтактной сварки), где временное сопротивление на разрыв не превосходит значений ов «900... 1000 МПа, либо нагруженныйучасток в зоне резания, где прочность ленточной пилы, в зависимости от марки инструментальной стали и способа термообработки, составляет ав «1400... 1600МПа.
В настоящее время установлено [191, 192], что для большинства случаев сопротивление усталости термообработанных деталей из инструментальных нормализованных сталей с учетом незначительных концентраторов напряжений составляет 30...40% от временного сопротивления на разрыв ов. То есть ленточная пила может испытывать циклические напряжения с уровнем CT_J«420...640 МПа. Это несколько не соответствует практическим данным [102, 104, 175], поэтому рассмотрим каждую составляющую суммарного значения действующих напряжений выражения (1.10) отдельно, с учетом данных, полученных в других работах [61, 190]. Результаты вычислений с расчетными функциями представлены в табл. 1.3. Таким образом, суммируя данные напряжения при отношении толщины пилы s к диаметру шкивов станка Д s/D 0,001 получаем Еа« 310...640 МПа, а на участке, осуществляющем резание - So«155 ... 390 МПа. Приведенные в табл. 1.3 расчеты справедливы лишь для станков тяжелого класса типа ЛБ-150, ЛБ-240 или
Физические процессы, происходящие при передаче движения ленточным пилам в механизмах резания ленточнопильных станков
При определении тяговых характеристик ленточнопильных станков и уровня напряжений в ленточных пилах, необходимо знать, какая часть тяговой силы реализуется в пределах дуги относительного скольжения на ведущем шкиве, а именно в месте перехода дуги относительного покоя в дугу относительного скольжения. Это можно сделать, узнав уровень и характер распределения касательных и нормальных напряжений в месте перехода.
Движение ленточной пиле передается от приводного шкива благодаря усилию предварительного натяжения Fo , как и во многих передачах трением первого вида. Поведение механизмов резания ленточнопильных станков на холостом ходу (без пиления) укладывается в рамки классической теории передач гибкой связью. В момент врезания в древесину и при дальнейшей распиловке в работу вступает гибкий рабочий орган, которым в данном случае является ленточная пила. Возникает поперечная сдвигающая нагрузка от действующих сил резания и ярко выраженная тонкая прослойка между шкивом и гибким рабочим органом (ленточной пилой) в виде спрессовавшейся и налипающей на шкивы пылеопилочной смеси. Прослойка исполняет роль «третьего тела», имеющего большое значение при передаче движения в ПГС [8, 20, 91, 227, 228]. Чтобы понять влияние «третьего тела» на работу передачи «шкив - ленточная пила», рассмотрим некоторые процессы и явления, возникающие в механизме резания ленточнопильного станка.
Теория передач гибкой связью [4, 159] указывает на упруго-вязкий характер контакта трения между гибким рабочим органом и шкивом. В пользу упруго-вязкого характера контакта трения свидетельствует тот факт [8, 20, 91], что наряду с малым предварительным смещением в этих зонах контакта (на дуге относительного покоя) имеет место значительное проскальзывание в других зонах контакта (на дуге относительного скольжения). Это обстоятель » ство приводит к перераспределению касательных напряжений на контакте, то есть участки контакта, где нормальные давления меньше, в момент приложения внешней сдвигающей силы частично проскальзывают. Сдвигающие усилия на контакте перераспределяются, уменьшаясь на проскальзывающих участках и возрастая на неподвижных участках, где нормальные давления больше [20, 91]. Поведение трущихся поверхностей ленточной пилы и шкивов в момент передачи главного рабочего движения показывает плоская модель привода «шкив - ленточная пила» (рис. 2.4) в условиях полусухого и граничного трения.рассмотрим деформационное поведение частицы «третьего тела». Как было сказано выше, в нашем случае роль «третьего тела» выполняет пылеопилоч-ная прослойка, налипающая на пилу. «Третье тело» наделяется упруго-вязкими свойствами, зависящими, в первую очередь, от состояния поверхностей, давления, скорости приложения нагрузки.
Вопросы предварительного смещения и влияния способа приложения сдвигающих сил на характер деформаций и напряжений, возникающих в упругих телах, которые передают и воспринимают сдвигающие усилия через контакт трения, разработаны недостаточно [4, 30, 91, 164]. В работе [91] сформулированы основные особенности сухого и граничного трения и введено понятие о «третьем теле», формирующемся между трущимися телами и характеризующемся упруго-вязкими свойствами. Разрушение контакта идет не одновременно по всей поверхности, а обусловлено бегущей волной деформации, рвущей последовательно «мостики сварки» между трущимися телами, то есть процесс носит закономерный характер. Такое явление можно представить как движение «зоны проскальзывания» вдоль поверхности трения, что напоминает движение «трансляционных дефектов» в деформируемом твердом теле. Введение понятия «зоны проскальзывания» между «мостиками сварки» в зоне контакта аналогично понятию «трансляционных дефектов» [55, 56, 57, 58, 59, 60, 231], а движение таких дефектов вдоль зоны контакта приводит к образованию и разрушению «мостиков сварки».
В работах [20, 227, 228] также развивается «мостиковая» теория внешнего трения, согласно которой между трущимися поверхностями возникают зоны сварки с малыми относительными смещениями и зоны проскальзывания со значительными относительными смещениями. Разрушение «мостиков сварки» протекает не одновременно по всей поверхности трения, а обусловлено бегущей волной деформации, последовательно разрушающей «мостики сварки». Такое движение также можно представить как движение «зоны проскальзывания» вдоль поверхности трения, что напоминает движение «транс ляционных дефектов» в деформируемом твердом теле [55, 56, 231] и подтверждает вышепринятые положения.
Таким образом, явления, происходящие на поверхности трения, можно описать, используя модель деформируемого твердого тела с дефектами, выступающими в роли «третьего тела». Это «тело» характеризуется некоторыми постоянными, которые в нашем случае принимаются как известные заранее или которые можно оценить из экспериментальных данных. Явления в зоне трения определяются свойствами и деформационным поведением «третьего тела» при разных видах нагружения. Все это, с некоторыми оговорками, позволяет перенести уравнения, описывающие динамику поведения «трансляционных дефектов» в деформируемом твердом теле [55, 56, 231] на описание вязкого поведения «третьего» материала, формирующегося в зоне контакта трущихся тел.
Условия сохранения устойчивости ленточных пил в пропиле
Несущая способность ленточных пил определяется не только прочностью и сопротивлением усталостному разрушению, но и жесткостью, от которой зависит их устойчивость. Она является основным фактором, влияющим на точность и производительность распиловки древесины ленточными пилами. В работах авторов [12, 14, 21, 92, 95, 137, 1138, 140, 144, 177, 178, 181, 182, 190, 221] и др. разработаны методики определения устойчивого со- стояния ленточных пил с учетом различных условий. В целом работы сводятся к установлению силового, вибрационного или теплового воздействия на ленточную пилу и определению ее жесткости или прогибов.
В основу определения прогибов ленточной пилы положены аналитические зависимости теории устойчивости упругих систем, полученные для определения устойчивости полос, балок, плит, пластин и мембран методами Тимошенко, Бубнова, Галеркина, Динника, Власова, Ржаницына, Алфутова, Болотина, Вольмира, Ландау, Лившица и др. [2, 10, 11, 66, 114, 115, 134, 169, 170, 171, 172, 201, 211]. Предлагаемые методики различаются в зависимости от того, какие факторы их авторы считают значимыми - технологические, силовые, тепловые или вибрационные. Исходя из этого, предлагаются те или иные расчетные схемы определения прогибов ленточной пилы, ее жесткости или критической силы.
Для более объективной оценки потери устойчивости ленточной пилой рассмотрим причины, по которым зубья пилы отклоняются от заданной траектории движения в соответствии со своими параметрическими уравнениями (1.1). В работах [144, 190] приводится ряд причин, влияющих на потерю устойчивости пил. К основным из них относятся:- погрешности монтажа ленточнопильного станка;- погрешности подготовки инструмента;- тепловые воздействия, приводящие к нагреву пил;- перебазирование заготовок во время распиловки;- деформации распиливаемых материалов вследствие действия внутренних напряжений в древесине;- виброактивность ленточной пилы вследствие радиальных и торцевых биений.
Полагая, что негативные факторы можно устранить настройкой станка [3], автор [144] основную причину потери устойчивости ленточной пилой видит в погрешностях подготовки инструмента и погрешностях базирования пил (рис. 3.5). Это подтверждают наблюдения за работой ленточных пил в производственных условиях и проведенные эксперименты, результаты которых частично приведены в разделе 1.1 диссертационной работы. Остальные
Рис. 3.5. Схемы к определению причин возникновения боковых сил Ро, изгибающих пилу в плоскости наименьшей жесткости [144]: а - при неперпендикулярности заточки передней грани зуба пилы; б - вследствие неравномерности уширения зубьев пилы; в - при неперпендикулярности заточки передней грани и перекоса вектора скорости подачи Vs к плоскости движения пилы; г, д - вследствие перекоса вектора скорости подачи Vs и плоскости движения пилырезультаты экспериментов соответствуют данным работы [144]. Представляет интерес сравнение основных расчетных зависимостей, полученных различными авторами для определения прогибов ленточной пилы (или шарнир-но опертой пластины) при одних и тех же условиях распиловки.
Сравнительный анализ расчетов приведен в табл. 3.1. За единицу приняты результаты, полученные методом И.Г. Бубнова [11].
Необходимо заметить, что все существующие методы расчета справедливы для статических условий нагружения пилы, так как в них не учитываются сдвиговые компоненты пилы по шкивам в плоскости действия :вектора усилия подачи, а также динамика работы ленточнопильного станка.
Без учета динамических факторов, полагая, что тепловые воздействияна ленточную пилу компенсируются ее вальцеванием, а виброактивность будет снижена до приемлемого уровня, можно определить прогибы пилы впропиле от действия разности боковых составляющих сил резания по упрощенной схеме в виде, приемлемом для инженерных расчетов. Учитывая постулаты классических теорий сопротивления материалов [11, 24, 66, 113," 118], необходимо принять следующее положение: при напряжениях в пре делах пропорциональности ни эксцентриситет, ни начальная кривизна не оказывают влияния на величину критической силы при продольном растяжении-сжатии стержней или пластин.
В кинетостатике по упрощенной схеме (рис. 3.6) (не беря в расчет виброактивность и тепловое воздействие) устойчивость ленточных пил можноопределять методом Бубнова [11]. Величина наибольшего прогиба пилы у в#, плоскости наименьшей жесткости составит:где Рб - нагрузка от разности боковых составляющих сил резания без учета центробежных сил (боковая сила, изгибающая пилу). Аналогичная зависимость получена в работе [190] (в преобразованномвиде):значения прогибов, что связано с завышенной оценкой автором [190] расстояния между направляющими опорами /. Так же, но через жесткость ленточных пил определялись прогибы в работах [144, 177] и др.
Тяговые характеристики механизмов резания ленточнопильных станков при передаче рабочего движения ленточной пиле
Для оценки эффективности новых схем механизмов резания ЛПС необходимо произвести сравнение их тяговых характеристик с имеющимися традиционными схемами. Тяговые характеристики механизмов резания ленточнопильных станков косвенным образом характеризуют эффективность работы ленточных пил и будут определяться следующими показателями:- тяговым усилием, развиваемым ленточной пилой FT;- коэффициентом тягового усилия (коэффициентом тяги) ф0;- коэффициентом сцепления ленточной пилы со шкивом jn;- коэффициентом относительного скольжения 0 , %.
Тяговое усилие, развиваемое ленточной пилой, определится из совместных решений уравнения Л. Эйлера и соотношения Ж. Понселе с учетом (1.27), (1.47), (1.48) и составит:
Из теории передач гибкой связью известно [4, 28, 71], что максимально допускаемая нагрузка, передаваемая ленточной пилой, будет соответствовать точке перегиба на кривой скольжения, где коэффициент тягового усилия ф0 (относительная нагрузка передачи) составит:где Fn - натяжение от действия центробежных сил;X - коэффициент, учитывающий влияние центробежных сил.
Коэффициент сцепления ленточной пилы с передающим шкивом с учетом (4.2) и (4.3) составит:
Скольжение ленточной пилы относительно гибкого рабочего органа будет оцениваться коэффициентом относительного скольжения (%):где VT.0 - скорость тягового рабочего органа (окружная скорость шкива илигибкого промежуточного рабочего органа).
Для определения тяговых характеристик механизмов резания ленточ-нопильных станков с различными приводными устройствами в соответствии с выражениями (4.2) - (4.5) была разработана экспериментальная установка на базе вертикального столярного ленточнопильного станка легкого класса. Схема установки приведена на рис. 4.7, а общий вид без защитного кожуха -на рис. 4.8. Техническая характеристика установки приведена в табл. 4.1. Благодаря применению в приводе коллекторного электродвигателя постоянного тока мощностью 250 Вт скорость резания установки регулировалась лабораторным автотрансформатором в диапазоне 0... 18 м/с. Подачаобразцов осуществлялась при помощи грузов через тросово-блочную систему для реализации контроля нормированного усилия подачи Ps. Оно определялось путем пересчета по формуле:где т -масса груза, приложенная к образцу; g - ускорение свободного падения;/- коэффициент трения между поверхностями рабочего стола и распиливаемого образца.
Величина абсолютного скольжения определялась методом рисок двумя способами. В первом случае риски наносились на шкив и ленточную пилу и устанавливалась величина их смещения за период прохождения участка ленточной пилы по шкиву. Во втором случае ленточная пила сваривалась на длину, кратную двум диаметрам шкивов ленточнопильного станка. Величина смещения рисок определялась за период полного цикла работы ленточной пилы. Коэффициенты относительного скольжения (%) пересчитывались по формуле:где А - величина смещения рисок на шкиве и ленточной пиле, мм;Lp - длина пути, пройденного риской на ленточной пиле, мм.
Для оценки коэффициентов относительного скольжения в динамике на гибком экспериментальном модуле (рис. 2.3 и 4.2) выпиливался специальный контрольный брус. Специально подготовленной ленточной пилой с отогну тым больше нормы одним зубом на брусе замерялось число рисок, оставленных на распиливаемой поверхности. Число циклов работы ленточной пилы определялось путем подсчета рисок, и по формуле пересчета устанавливалась действительная скорость движения ленточной пилы:N откуда п2 = —- , здесь N2 - общее число рисок на контрольном брусе, шт;t - время распиловки одной доски на контрольном брусе, с; L - длина ленточной пилы, м.
Скорость движения наружной поверхности приводного шкива определялась по формуле (1.4), где частота вращения шкива замерялась тахометром. Затем по формуле (4.5) определялась величина коэффициента относительного скольжения 9. Экспериментальные зависимости коэффициентов относительного скольжения 9 от коэффициентов тягового усилия ф0 аппроксимировались функциями вида:где a, b - константы, зависящие от условий проведения опытов. Для большинства случаев а 1.
Экспериментальные исследования по изучению влияния усилия предварительного натяжения на коэффициент тягового усилия ф0 проводились наустановке по схеме, показанной на рис. 4.7, где величина отклонения подпружиненного ролика (роликового компенсатора) характеризовала перераспределение усилия предварительного натяжения в соответствии с соотношением Понселе (1.26). Экспериментальные зависимости коэффициентов тягового усилия ф0 от величины предварительного натяжения FQ, выраженногонапряжениями в ЛП с0, аппроксимировались функциями вида: где a, b, с, d- константы, зависящие от характера трения и условий опытов.Функция (4.10) аналогична зависимостям, характеризующим изменение коэффициентов трения от скорости скольжения или изменение величины предварительного смещения от прилагаемой силы.
Для определения тягового усилия в соответствии с выражениями (1.26), (1.27) и (1.47) определялась мощность, расходуемая на резание при помощи самопишущего ваттметра Н-350, ГОСТ 8476 - 80 с применением измерительного трансформатора тока УТТ-5. Мощность измерялась на клеммах электродвигателей привода механизмов резания. Запись мощности проводилась в течение времени полной распиловки одной доски контрольного бруса. Типовая диаграмма записи расхода мощности при распиловке древесины ленточными пилами представлена на рис. 4.9.
