Экспериментальные исследования процесса продольного пиления осины цилиндрической пилой Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

 Евгений Сергеевич Шарапов,

кандидат технических наук, доцент

Sharap ov_Evg eniy@mail. ru

Александр Степанович Торопов,

доктор технических наук, профессор

[email protected]

Лев Владимирович Надеев, студент

Марийский государственный технический университет

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССА ПРОДОЛЬНОГО ПИЛЕНИЯ ОСИНЫ ЦИЛИНДРИЧЕСКОЙ ПИЛОЙ

Способ раскроя, пиление, мощность резания, экспериментальные исследования, удельная работа резания.

Cutting method, sawing, cutting power, cutting specific work.

Одним из направлений развития деревообрабатывающей промышленности является внедрение в производство новых технологий, позволяющих получать однородную по качественным характеристикам пилопродукцию, вовлекать в производство большие объемы древесного сырья, расширять ассортимент конечной продукции. В связи с этим технологии раскроя по криволинейным поверхностям [1, 2] с возможным использованием цилиндрических пил [3] особенно актуальны. Конечная продукция при этом может найти разнообразное применение в деревянном домостроении как стеновой, декоративно-отделочный или кровельный материал.

Целью исследований является определение взаимосвязей величин энергосиловых параметров процесса продольного пиления древесины осины цилиндрической пилой и геометрических характеристик распиливаемых заготовок.

Оборудование и инструмент для изготовления заготовок и проведения экспериментальных исследований: станок ленточнопильный модели JET

JWBS-12, штангенциркуль ШЦ-II, угломер 5УМ, микрометр МК25, фазометр Д578, цифровой мультиметр MAS-345, пила цилиндрическая, станок фрезерный СФГД модели ATS-760.V (частотно-регулируемый привод Elte 4 кВт, 3000-18000 об./мин, дискретность перемещения 0,006 мм) с вакуумным столом (с Т-слотами) (рис. 1), ЭВМ.

Рис. 1. Фрезерный станок СФГД модели ATS-760.V с ЧПУ: а - внешний вид станка; б - шпиндель с установленной цилиндрической пилой

Параметры пилы: диаметр 150 мм, высота 55 мм, толщина стенок 2 мм, число зубьев 31, шаг зубьев 15,19 мм, высота зубьев 7 мм; угловые параметры зубьев: a = 30°, β = 40°, g = 20°

Методика проведения эксперимента включала в себя изготовление осиновых образцов секторов с заданными геометрическими характеристиками согласно плану эксперимента (высота образцов 0,055 м, углы секторов 45°, 90° и 135°). Замеры электрических величин напряжения и тока, потребляемого приводом резания, осуществлялись с помощью цифрового мультиметра MAS-345 и через порт RS-232 величины записывались на ЭВМ (рис. 2). Коэффициент мощности привода резания замерялся с помощью фазометра Д578. Допущение: нагрузка (асинхронный электропривод) и источник энергии (электрическая сеть) симметричны.

Образцы секторов закреплялись на столе станка СФГД модели ATS-760.V. Величины скорости подачи и скорости резания варьировались с помощью программы управления станком, установленной на ЭВМ.

Расчетным путем определялись активная мощность, потребляемая приводом резания, объем пропила, работа резания и удельная работа резания.

Рис. 2. ЭВМ управления станком СФГД модели ATS-760.V и записи величины тока, потребляемого приводом резания, - а и цифровой мультиметр MAS-345 - б

Активная мощность, потребляемая приводом резания при холостом ходе и пилении заготовок, Вт [4]:

N бб=UI cos φ,

(1)

где U - напряжение питания привода резания, В; I - величина электрического тока, потребляемого приводом резания, А; cos φ - коэффициент мощности.

Активная мощность, расходующаяся на резание древесины, Вт:

NB = N - Nöö. (2)

з

Удельная работа резания, Дж/м [5]:

к = N„ V-, (3)

VÎ В

з

где Ғпр - объем пропила, м ; Np - мощность на резание, Вт; t - время пиления, с.

з

Объем пропила, м :

V.ib = Lb

ґ

pD

360

2

φ

- arcsın

2

V

(D V φ

V 2 ) 2

D

2

γ

(4)

где L - высота заготовок, м; b - ширина пропила, м; D - диаметр цилиндрической пилы, м; φ - угол сектора заготовки, град.; X - расстояние от оси лесоматериала (сектора лесоматериала) до пропила, м.

Исходя из технических характеристик фрезерного станка и анализа факторов, влияющих на энергосиловые параметры процесса пиления, выбраны варьируемые факторы, а также пределы их изменения (см. таблицу) и составлен экспериментальный план [5].

Варьируемые факторы и пределы их изменения

Фактор Уровень варьирования Интервал

-1 0 +1 варьирования

X\ - расстояние от оси сектора заго- 30 40 50 10

товки до пропила X, мм

Х2 - угол сектора заготовки φ, град 45 90 135 45

Х3 - скорость подачи пилы м, мм/с 2 3 4 1

Х4 - скорость резания v, м/с 35 39 43 4

Построение математической модели процесса пиления осины цилиндрической пилой осуществлялось с помощью экспериментального плана второго порядка В [5]. Выходные величины процесса: мощность на резание NP, Вт; удельная работа резания K, Дж/м .

На основании предварительного эксперимента (22 повторения) определили минимальное количество дублирующих опытов, равное шести [5].

Сигнал с цифрового мультиметра через порт Я8-232С записывался на ЭВМ с помощью специальной программы, поставляемой с устройством, при этом дискретность записи величин тока составляла одну секунду. Математические расчеты и графические представления мощности, потребляемой приводом резания, работы и удельной работы резания осуществлялись в программах MSExel и TableCurve 2D.

Обработка данных основного эксперимента осуществлялась с помощью программы Statgraphics Plus 5.1 [6]. Регрессионная модель изменения

удельной работы резания при пилении древесины осины цилиндрической

2 2

пилой вдоль волокон (R = 95,6084 %; скорректир. R = 88,7771 %; средняя абсолютная ошибка (МАЕ) 0,0446543; статистика Дарбина - Уотсона (DW) 2,73925 (при P = 0,0000)):

K = -8,47044 - 0,0173362У + 0,0075009φ - 0,503851м + 0,557418ν -- 0,000076588102 - 0,00009941710φ + 0,002061710м + 0,000486639Ov -- 0,0000125332φ2 - 0,00120939φΜ + 0,000127859φν - 0,00756631м2 +

+ 0,00850545mv - 0,00803958v2.

Анализируя уровни статистической значимости коэффициентов регрессии и карту Парето, можно утверждать, что все варьируемые факторы эксперимента и взаимодействие факторов величины подачи и угла сектора заготовок оказывают реальное влияние на величину отклика (рис. 3).

д)

K, кДж/с 1,14 1,04 0,94 0,84

е)

V, м/с

Рис. 3. Поверхности отклика выходной величины:

а - и = 3 мм/с, V = 39 м/с; б - φ = 90°, v = 39 м/с; в - X = 40 мм, v = 39 м/с; г - Х = 40 мм, φ = 90°; д - φ = 90°, и = 3 мм/с; е - X = 40 мм, и = 3 мм/с

Выводы. На основании проведенных исследований можно утверждать, что наибольшее влияние на величину отклика оказывают скорость подачи пилы и угол сектора заготовок, при этом важным фактором является разность диаметров окружности пиления и формы колец волокон древесины. Результаты теоретических и экспериментальных исследований могут служить основой при разработке лабораторной исследовательской установки для изучения процессов пиления древесины и древесных материалов цилиндрическими пилами.

Библиографический список

1. Способ раскроя круглых лесоматериалов, имеющих сердцевинную гниль [Текст] : пат. 2283218 Рос. Федерация: МПК 6 В27 В 1/00 / Торопов А. С., Шарапов Е. С., Шарапов А. С., Павлов Д. В.; заявитель и патентообладатель Марийск. гос. техн. ун-т. - № 2004139154/02; заявл. 31.12.04; опубл. 10.09.06.

2. Способ раскроя круглых лесоматериалов, имеющих сердцевинную гниль : пат. 2301145 Рос. Федерация: МПК 6 В27 В 1/00 / Торопов А. С., Шарапов Е. С., Хуртин В. Л., Конаков А. В., Шарапов А. С., Пукемов А. В.; заявитель и патентообладатель Марийск. гос. техн. ун-т. - № 2005117892/03; заявл. 09.06.05 ; опубл. 20.06.07.

3. Machine for dividing wooden parts into individual channel-shaped elements : 3556178 United states patent: B 27b 5/12 / Walter Witschig ; appl. no. 743352; filed. 1968. July 9; patented. 1971. Jan.19.

4. Панев, Б. И. Электрические измерения [Текст] / Б. И. Панев. - М.: Агро-промиздат, 1987. - 224 с.

5. Пижурин, А.А. Исследование процессов деревообработки [Текст] / А. А. Пижурин, М. С. Розенблит. - М.: Лесн. пром-сть, 1984. - 231 с.

6. Дюк, В. Обработка данных на ПК в примерах [Текст] / В. Дюк. - СПб.: Питер, 1997. - 240 с.

Разработана методика экспериментальных исследований процесса продольного пиления древесины цилиндрической пилой. Выявлены варьируемые и стабилизируемые факторы процесса пиления. Составлен план В второго порядка экспериментальных исследований процесса пиления осины цилиндрической пилой. Получена регрессионная модель изменения удельной работы резания процесса продольного пиления осины цилиндрической пилой. Построены поверхности изменения удельной работы резания согласно плану экспериментальных исследований.

Technique of experimental researches process longitudinal sawing wood by a cylindrical saw is developed; varied and stabilized factors of sawing process are revealed; B - experimental second order plan of the aspens sawing process by a cylindrical saw is present; the equation of the fitted model of the process longitudinal sawing aspens by a cylindrical saw is received; surfaces of cutting specific work changing are constructed agree to the experimental plan.