Повышение точности пиления древесины на делительных ленточнопильных станках

Перед лесопильной промышленностью стоит задача перехода от экстенсивного пути развития к интенсивному, при котором за счет повышения технической и технологической культуры производства, и использования новых высоких технологий, обеспечивается значительное увеличение производительности труда и потребительских свойств продукции при минимальных затратах сырья, материалов и трудовых ресурсов.

Головным лесопильным оборудованием в лесопильной промышленности являются лесопильные рамы, круглопильные и ленточнопильные станки. Основные направления интенсификации переработки древесины на лесопильном оборудовании, обеспечивающей достижение наибольшего экономического эффекта, могут быть реализованы на трех уровнях [42].

Первый уровень — интенсификация пиления древесины на действующем лесопильном оборудовании серийным инструментом. Первый уровень интенсификации и повышения эффективности переработки пиловочного сырья на лесопильном оборудовании в основном связан с повышением технической и технологической культуры на лесопильных предприятиях. Элементы первого уровня интенсификации в значительной степени проработаны в научно-исследовательских и учебных институтах и имеется опыт их применения на передовых зарубежных и отечественных предприятиях.

Второй уровень — модернизация действующего оборудования. Такое оборудование может иметь прежние принципиальные технические решения, но улучшенные параметры или измененные узлы и механизмы.

Третий уровень — создание лесопильного оборудования нового поколения. Основные недостатки присущие существующим лесопильным санкам не могут быть устранены путем модернизации. Необходимо создать станки нового типа. Такие станки должны иметь новые узлы и механизмы, созданные на основе принципиально новых технических решений.

Для реализации первого уровня интенсификации лесопильного производства необходимо обеспечить правильную подготовку сырья к распиловке (сортировка, окорка, оттаивание мерзлой древесины, оцилиндровка) — выполнение режимов подготовки к работе режущего инструмента, лесопильного и вспомогательного оборудованиявыбор оптимальных параметров дереворежущего инструментаобеспечение инструментальных, ремонтных и производственных участков контрольно-измерительным инструментомповышение квалификации работников. Первый уровень интенсификации лесопильного производства заключается в получении информации об эффективных, проверенных методах работы на передовых отечественных и зарубежных предприятиях и их реализации на конкретных предприятиях.

Третий путь интенсификации лесопильного производства, путем создания технологий и лесопильного оборудования новых поколений, требует большого экономического и научно-технического потенциала. Создание современных машин, приборов, новых материалов и технологий — сложный процесс, требующий соответствующей государственной политики, создания или восстановления научных школ, аналитических центров, отраслевых конструкторских бюро, развития промышленного капитального строительства, подготовки творческих высококвалифицированных специалистов [42].

Второй уровень интенсификации лесопильного производства, путем модернизации действующего лесопильного оборудовании и совершенствования технологии получения пиломатериалов на основании научных исследований и рекомендаций может быть реализован на многих лесопильных предприятиях и принести значительный экономический эффект.

Актуальность темы

Ленточнопильные станки нашли широкое применение в лесопилении при распиловке бревен на пиломатериалы (бревнопиль-ные станки) и толстых пиломатериалов на тонкие (делительные станки). Они имеют следующие преимущества перед лесопильными станками других типов: малые ширина пропила и расход древесины в опилки. Хорошее качество поверхности пиломатериалов по шероховатости, отсутствие больших сил инерции и возможность использовать легкий фундамент, не требуется тщательная сортировка бревен перед распиловкой и возможность осуществлять индивидуальную распиловку с учетом особенностей сырья.

Вместе с отмеченными преимуществами, ленточнопильные станки имеют следующие недостатки: низкая точность пиления при больших скоростях подачи, малая долговечность пил и сложность их подготовки, большие габариты и металлоемкость. При создании многопильных ленточнопильных станков проходного типа, эти недостатки еще более усугубляются. Низкая точность пиления древесины из-за низкой жесткости и устойчивости пил является основным недостатком ленточнопильных станков, поэтому работа, направленная на повышение точности пиления древесины на делительных ленточнопильных станках путем изменения на основании рекомендаций полученных в результате научных исследований, механизмов резания и подачи является актуальной.

Цель и задачи исследований.

Цель работы — повышение точности пиления древесины на делительных ленточнопильных станках, путем совершенствования механизма подачи и узла резания с научным обоснованием их параметров.

Для достижения поставленной цели определены следующие задачи исследований:

1. Выполнить теоретические исследования начальной жесткости и устойчивости ленточной пилы с контактными отжимными направляющими.

2. Дать оценку влияния на величину боковых сил и точности пиления применения отжимных направляющих для пилы и направляющей линейки в конструкции механизма подачи.

3. Выполнить теоретические и экспериментальные исследования аэростатических опор, используемых в конструкциях отжимных направляющих для ленточных пил и для направляющей линейки механизма подачи.

4. Исследовать влияние использования подающего устройства с аэростатической направляющей линейкой на точность пиления древесины.

5. Исследовать точность пиления древесины при использовании отжимных аэростатических направляющих для пил.

6. Разработать рекомендации по конструированию и эксплуатации новых узлов модернизации ленточнопильных станков.

Научная новизна работы:

1. Разработаны математические модели жесткости и устойчивости ленточных пил с отжимными направляющими.

2. Предложены новые конструкции подающего устройства ленточнопиль-ного станка и отжимных аэростатических направляющих для ленточных пил и даны научные обоснования их параметров.

3. Разработана методика расчета параметров вальцевания ленточных пил и выставки отжимных направляющих пил ленточнопильного станка с наклонными выпуклыми шкивами.

Методы исследований:

1. При выборе направления исследования и оценке точности пиления древесины на ленточнопильных станках, использовались методы теории резания древесины.

2. Теоретические исследования жесткости и устойчивости ленточных пил выполнялись с использованием энергетических методов строительной механики.

3. Теоретические исследования аэростатических опор производились с использованием численных методов математики и математического пакета (Maple) для решения системы разностных алгебраических уравнений.

4. Обработка экспериментальных данных делалась с использованием методов математической статистики в табличном процессоре Microsoft Excel.

Результаты исследований отжимных аэростатических направляющих и направляющей линейки, выполненной в виде аэростатической опоры, могут быть использованы при модернизации ленточнопильного оборудования и для создания новых ленточнопильных станков.

Обоснованность и достоверность полученных результатов.

Обоснованность и достоверность полученных результатов подтверждается:

1. Логичностью построения работы;

2. Аргументированностью принятых допущений при теоретических исследованиях;

3. Использованием при теоретических исследованиях современных методов фундаментальной науки;

4. Выполнения значительного объема экспериментальных исследований на модернизированных ленточнопильных станках;

5. Опытно-производственной проверкой рекомендаций, полученных в результате исследований.

На защиту выносятся.

1. Результаты теоретических исследований жесткости и устойчивости ленточных пил имеющих отжимные направляющие.

2. Результаты теоретических и экспериментальных исследований аэростатических опор и научно обоснованные рекомендации по их использованию в целях модернизации ленточнопильных станков.

3. Разработка конструкций и научное обоснование параметров новых конструкций подающего устройства ленточнопильного станка и отжимных аэростатических направляющих для ленточных пил.

4. Методика расчета величины выставки отжимных направляющих пил ленточнопильного станка с наклонными выпуклыми шкивами.

5. Результаты экспериментальных исследований точности пиления древесины на ленточнопильных станках с узлами модернизации.

Практическая значимость работы.

1. Отжимные аэростатические направляющие для ленточных пил могут быть использованы при модернизации не только делительных, но и брев-нопильных станков.

2. Новая конструкция механизма подачи (патент № 2 141 397) может быть использована при модернизации делительных ленточнопильных станков.

3. Результаты исследования аэростатических опор могут быть использованы не только при модернизации существующих ленточнопильных станков, но и при создании лесопильных станков нового типа.

4. Математические модели расчета жесткости и устойчивости ленточных пил могут быть использованы для определения режимов пиления древесины на ленточнопильных станках с ограничением скорости подачи по точности пиления.

Реализации результатов.

1. На основании выполненных конструкторских и исследовательских работ, модернизированы два ленточнопильных станка итальянского производства Artiglio-140, установленных на фирме «Тимпрок» (г. Архангельск), путем установки отжимных аэростатических направляющих для пил.

2. На основании выполненных конструкторских и исследовательских работ модернизирован делительный ленточнопильный станок ЛСД 150, путем установки нового механизма подачи.

3. Материалы исследований аэростатических опор вошли в учебное пособие «Использование газовой смазки в технике», которая используется при преподавании курса «Детали машин» в Архангельском государственном техническом университете.

4. Рекомендации по повышению точности пиления древесины на ленточнопильных станках используются в учебном процессе при подготовке инженеров по специальности 1704.

Апробация работы.

Основные положения диссертации и материалы исследований докладывались и получили положительную оценку на научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава АГТУ (г. Архангельск, 1999 -2007 г).

Публикации.

По материалам диссертации опубликовано 16 печатных работ. Получены три патента на изобретения.

Структура и объем работы.

Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, заключения, библиографического списка, включающего 83 наименования и двух приложений. Работа изложена на 158 листах машинописного текста, содержит 60 рисунков, 19 таблиц.

ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ.

1. Основным недостатком ленточнопильных станков является низкая точность пиления при больших скоростях подачи.

2. Точность пиления зависит от сил сопротивления резанию (боковых сил и сил действующих в плоскости наибольшей жесткости) и способности пил противодействовать этим силам (жесткости и устойчивости).

3. Применение отжимных аэростатических направляющих для ленточных пил позволяет повысить жесткость и устойчивость пли и за счет повышения точности движения пил в зоне резания снизить боковые силы. Применение в механизме подачи делительных ленточнопильных станков аэростатической направляющей линейки для распиливаемого материала позволяет повысить точность подачи и уменьшить боковые силы. Это перспективные направления модернизации ленточнопильных станков.

4. Выполнены теоретические исследования и получены математические модели для определения жесткости и устойчивости ленточных пил с учетом использования отжимных направляющих и распределенности нагрузки по высоте пропила.

5. Получена формула для определения оптимального относительного эксцентриситета линии натяжения ленточных пил. Натяжение пил с оптимальным относительным эксцентриситетом линии натяжения позволяет повысить устойчивость пил на 30% по сравнению со случаем, когда пилы имеют центральное натяжение.

6. Для уменьшения трения пил об отжимные направляющие, охлаждения пил и исключения износа направляющих, а также для уменьшения трения распиливаемого материала о направляющую линейку и исключения её износа, рабочие поверхности отжимных направляющих и направляюще линейки целесообразно выполнить в виде аэростатических опор.

Выполнены теоретические исследования и разработана программа расчета аэростатических опор с использованием математического пакета Maple V Release 4.00 а фирмы Waterloo Maple Inc. Экспериментальные проверки показали высокую надежность результатов теоретических исследований.

Материалы исследований аэростатических опор могут быть использованы не только при модернизации действующих ленточнопильных станков, но и при создании лесопильных станков нового типа и вспомогательных устройств и приборов. В частности на основании результатов исследований аэростатических опор разработан прибор для определения шероховатости пиломатериалов и получен патент № 2 307 734.

7. На основании теоретических исследований разработана конструкция отжимной аэростатической направляющей и определены ее основные характеристики: диаметр отверстий поддува d = 0,6 ммглубина микроканавки t = 0,4 ммугол профиля микроканавки (р = 60°- давление подводимого воздуха ри = 0,6 МПа. Ширина направляющей В = 100 мм, рабочая длина направляющей принята переменной с учетом стачивания пилы и изменения ее ширины L0 = 200, 180, 160 и 140 мм. Величина зазора между пилой и направляющей была принята 5= 30 мкм. Работа аэростатической направляющей характеризовалась подъемной силой Q, кН и расходом воздуха WH, м /мин. При L0 = 200 мм, Q = 2,38 кН и WH = 0,0426 м3/минпри L0 = 140 мм, Q = 1,87 кН и WH = 0,0286 м3/мин.

8. На основании выполненных исследований разработана конструкция аэростатической направляющей линейки механизма подачи делительного ленточнопильного станка и определения ее основных характеристик: диаметр отверстий поддува d = 0,6 ммглубина микроканавки t = 0,4 ммугол профиля микроканавки (р = 60°- давление подводимого воздуха ри = 0,6 МПаширина направляющей В = 100 мм, длина ЬА = 400 мм. Величина зазора между рабочей поверхностью направляющей линейки и подающим гибким органом (синтетическим ремнем) принята 5- 30 мкм. Расход воздуха составляет WH = 0,0873 м /мин и подъемная сила Q= 1,87 кН. Новизна конструкции механизма подачи с аэростатической направляющей линейкой подтверждается патентом № 2 141 397 .

9. Большое влияние на точность пиления оказывает величина боковой силы Q. Одним из важных факторов, влияющих на величину боковой силы, а следовательно, и точности пиления древесины, является точность подачи распиливаемого материала. При выполнении режимов подготовки и установки пил, а также требуемой точности подачи распиливаемого материала и движения пилы, суммарный угол встречи может быть снижен до 0,21°. Боковая сила при этом определяется по формуле Q = 0,363 Р, где Р — горизонтальная составляющая силы сопротивления резанию, Н.

На практике часто нарушают требования к подготовке и эксплуатации ленточных пил, что приводит к увеличению боковых сил и снижению точности пиления.

При использовании в механизме подачи делительного ленточнопильного станка направляющей аэростатической линейки и установке ее с точностью 0,1 мм на 1000 мм, суммарный угол встречи может быть уменьшен до 0,20°. Боковая сила в этом случае может быть определена по формуле Q = 0,349 Р.

Ю.Влияние боковых сил на точность пиления может быть определено по аналитическому методу проф. Прокофьева Г. Ф. [40]. Для определения влияния точности подачи на точность пиления и проверки надежности аналитического метода и определения предельных отклонений пилы в процессе пиления были выполнены две серии опытов. В первой серии исследовалось влияние на точность пиления высоты пропила h, а во второй — угла подачи 9j.

Результаты первой серии показали надежность аналитического метода оценки точности пиления древесины. При высоте пропила h = 125 мм отклонения размеров пиломатериалов полученных экспериментальным путем отличались от теоретических на 6,3%, при высоте пропила h = 150 мм — на 5,9%. Вместе с тем, при высоте пропила h- 100 мм теоретические значения отклонений пилы от экспериментальных отличались на 16%. Это можно объяснить тем, что на точность пиления могут оказывать существенной влияние строение древесины и ее физико-механические свойства, что трудно учесть теоретическим методом.

Результаты второй серии опытов показали большое влияние на точность пиления точности подачи распиливаемого материала. При изменении угла подачи с 0,05° до 0,10° отклонение толщины пиломатериалов от среднего значения возросло на 95,9%, по данным расчетов — на 99,7%.

11 .Установка отжимных аэростатических направляющих позволяет не только повысить жесткость и устойчивость ленточных пил, но и повысить точность движения пил в зоне резания. При этом благодаря тому, что рабочие поверхности отжимных направляющих выполнены в виде аэростатических опор, отсутствует износ направляющих и не требуется их восстановление и регулировка, а также предотвращается нагрев пил.

12.Даны рекомендации по установке, изготовлению и эксплуатации отжимных аэростатических направляющих. Рекомендуется величину выставки отжимных направляющих определять по формуле fL v 1 / м,.

Л = 1,2 где L — расстояние между осями шкивов, ммI ~ расстояние между направляющими, мм- [у] - допускаемое отклонение пилы, мм. Сила прижима пилы к направляющей определяется по формуле.

L-1 где Nсила натяжения пилы, Н.

Дана методика определения параметров смешанного вальцевания (выпуклости задней кромки т и величины световой щели f), обеспечивающих повышенную жесткость пилы и устойчивое положение её на выпуклых шкивах, установленных с уклоном.

Приводится формула для расчета продольного профиля каждой направляющей, при котором обеспечивается равномерность зазора между пилой и аэростатической опорой и наименьший радиус изгиба пилы.

13.На промышленном ленточнопильном станке проведены экспериментальные исследования. Было установлено, что при использовании щелевых направляющих, требуемая точность пиломатериалов, высотой h = 150 мм обеспечивалась при скорости подачи и — 10 м/мин.

При установке отжимных аэростатических направляющих и выполнению рекомендаций по подготовке и установке пил, такая же точность пиления достигнута при скорости подачи и = 24,5 м/мин, то есть применение отжимных направляющих позволяет увеличить скорость подачи в 2,54 раза. Полученный положительных эффект подтверждается актом, приведенном в приложении № 2.

14.Определялись опытным путем и теоретически зависимости изменения толщин досок от высоты пропила и скорости подачи при установке отжимных аэростатических направляющих. Характер изменения толщин пиломатериалов от высоты пропила и скорости подачи одинаков по данным экспериментов и данным полученным аналитическим методом, но разность в величинах может достигать 21%. Поэтому при распиловках древесины необходим контроль качества путем выборочных замеров толщин пиломатериалов.

15.Аналитический метод расчета точности пиления может быть использован для определения эффективности мероприятий по повышению качества подготовки пил и станка к работе, при выборе направлений совершенствования лесопильных станков, для разработки режимов пиления древесины с ограничением по точности.

16.При создании гибких автоматизированных линий скорость подачи может задаваться автоматически с использованием аналитического метода, а путем автоматических замеров фактических толщин досок и математической обработкой результатов на ЭВМ, должны вноситься коррективы в режимы пиления. Для реализации этого направления разработан прибор для автоматического измерения толщин пиломатериалов и на его конструкцию получен патент № 2 302 942.