CC BY
55
УДК 674.023
К ВОПРОСУ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ПРОЦЕССА ПИЛЕНИЯ ДРЕВЕСИНЫ МЯГКИХ ЛИСТВЕННЫХ ПОРОД ЛЕНТОЧНЫМИ ПИЛАМИ
кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры древесиноведения В. П. Ивановский
аспирант А. В. Ивановский студент Н. С. Ковешникова студент О. Ю. Гончарова
ФГБОУ ВПО «Воронежская государственная лесотехническая академия»
ivanovky@bk.ru
1. Конструкции ленточной пилы для пиления древесины мягких лиственных пород
В зависимости от назначения ленточные пилы подразделяются [1, 3, 6]: для распиловки древесины (ГОСТ 6532-77); для распиловки бревен и брусьев (ГОСТ 10670-77). Они характеризуются длиной, шириной, толщиной, профилем зубьев (рис. 1) [1].
/5 /
Рис. 1. Кинематическая схема ленточно-пильного станка
Длина пилы
Ь = Ж-d + 2 • ^ м. 0)
Ширина
Втах = вшк + Куба , мм. (2)
Толщина определяется наличием напряжений в полотне от действия сил (рис. 2): предварительного натяжения ленты по шкивам; от центробежных сил; от усилий резания; от изгиба на шкивах.
Рис. 2. Силы, действующие на полотно
а- = Е -А, МПа, (3)
где Е - модуль Юнга, 200000 МПа;
А - относительная деформация, мм. Я
А АВ =■
ж(К + S/ 2)' где X - абсолютная деформация полотна АВ, мм, я = ж( к + 5)-ж(к + 5/2) =
(4)
= ж• К + Ж • £-Ж-К -
ж• £ 2
мм,
(5)
Д 4Я =-,
+ S/2)
S
а = Е • —, МПа. D
м;
(6)
(7)
Допускаемым напряжением а является 800 МПа при коэффициенте запаса прочности [п]=4.
г т 800 ^ 200000- S
[а] =-= 200, МПа; 200 =-,
4 D
т.е. £©=0,001; Я=(0,001.. Д007)£. В зависимости от назначения ленточные пилы подразделяются на несколько типов (рис. 3, 4, 5, 6).
Рис. 3. Узкие (столярные) тип 1: ¿=6.. .12 мм; Л=35°; ^=50°; у=5°; В<60 мм
Рис. 4. Делительные (ребровые) широкие тип 2: В<175 мм; ¿=30.50 мм
Рис. 5. Для распиливания бревен тип 3: В<175 мм; Л,=15°; в=45°; В=280 мм; ¿<60 мм
Пилы производятся из стали 9ХФ с твердостью НКС 41.45. В результате об-16 Лесотехнический журнал 1/2013
зора существующих конструкции ленточных пил установлено отсутствие конструкций для высокопроизводительного и качественного деления древесины мягких лиственных пород при пониженном энергопотреблении в продольном и поперечном направлениях. Известны узкие ленточные пилы, используемые для раскроя древесины с высоким качеством разделяемых поверхностей [2]. Однако конструкция пил создает высокое энергопотребление в процессе резания мягколиственной древесины, так как увеличение скорости подачи приводит к снижению качества обработанных поверхностей, требуется сма-зочно-охлаждающая жидкость для предупреждения перегрева пил.
Также известна дисковая пила для обработки мягколиственной древесины (прототип), включающая корпус и чере-
дующиеся основные и подрезающие зубья с разностью между окружностями резания основных и подрезающих зубьев пилы не более 0,4 мм [3]. Такая пила обеспечивает пониженное энергопотребление при пилении мягколиственной древесины, способствует повышению производительности деления и качества стенок пропила. Малая разность между высотами зубьев (0,2 мм) таких пил не позволяет улучшить качество стенок пропила и значительно снизить энергопотребление при распиловке древесины мягких лиственных пород, имеющей большие упруго-пластические свойства, чем любая другая древесина. Разработанная конструкция ленточной пилы (рис. 6) решает задачу снижения энергопотребления, а также повышения производительности деления и качества стенок пропила мягколиственной древесины.
б
Рис. 6. Конструкция ленточной пилы для древесины мягких лиственных пород
а
Для этого у ленточной пилы для обработки мягколиственной древесины, включающей корпус, чередующиеся основные и подрезающиеся зубья, согласно изобретению, разность между высотой основной (прямо-заточенных) и подрезающих (сглаживающих и косозаточенных) зубьев пилы составляет 0,6...1 мм, а каждый подрезающий зуб выполнен с плоской контактной площадкой и углом косой заточки не менее 10°.
На рис. 6, а представлен отрезок ленточной пилы, а на рис. 6, б вид сверху на зубчатый венец пилы. Пила включает корпус 1 и чередующиеся основные 2 (прямо-заточенные) и подрезающие 3 (сглаживающие и косозаточенные) зубья. Снижение энергопотребления пилой достигается достаточной разностью высот основных 2 и подрезающих 3 зубьев пилы от 0,6 до 1 мм, что компенсирует упругое восстановление волокна древесины мягких лиственных пород. Повышение производительности пиления обеспечивается увеличивающейся подачей на один зуб пилы за счет чередования зубьев. Сглаживающие зубья 3 создают эффект шлифования и полирования на разделяемых поверхностях древе-
Напряжение от изгиба ленты на шкивах в общем балансе напряжений, испытываемых ею в процессе работы, имеет
сины за счет контактной площадки 4, а угол косой заточки превышающий или равный 10°, позволяет снимать излишний ворс на разделяемых поверхностях [4]. Конструкция пилы позволяет ее использовать в широком диапазоне режимов резания, усилие и мощность резания снижаются на 35.40 %, а качество стенок пропила улучшается до 20 %.
2. Пути повышения качества пилопродукции при распиловке древесины на ленточнопильных станках
Максимальная толщина ленточной пилы обуславливается величиной напряжений, испытываемых ею в процессе работы:
а) от центробежных сил;
б) от изгиба ленты на шкивах;
в) в результате предварительного натяжения;
г) от сил сопротивления резанию, теплового воздействия и др.
С учетом данной зависимости установлены параметры пил для ленточно-пильных станков [1], представленные в табл. 1 (ГОСТ 10070-83).
большое удельное значение и является функцией по толщине ленты S и диаметра пильных шкивов D.
Таблица 1
Размеры пил для распиловки бревен ГОСТ 10070-83
Ширина (с зубьями) В, мм Толщина, мм Шаг зуба 1, мм Длина L (кратная), мм
20 1,4;1,6 50;60 10,4
50 1,6;1,8;2 60 12,2
70 2;2,2 80 14,6
70 1,8;2;2,2 60 14,6
Напряжение от изгиба ленты прямо пропорционально толщине пилы и обратно пропорционально диаметру шкивов. Следовательно, для снижения напряжений с конструктивной точки зрения необходимо либо увеличить диаметр шкивов, либо уменьшить толщину ленточной пилы. Однако снижение толщины возможно до определенной величины, обеспечивающей её
прочность при пилении.
Временное сопротивление на разрыв ленты в спаянном месте не превосходит 700-800 Н/мм2, а общее сопротивление на разрыв не должно превышать 300-400 Н/м2 при минимальном запасе прочности К=2. В табл. 2 представлены расчетные значения толщин ленточных пил в зависимости от диаметра шкивов.
Таблица 2
Расчетные значения толщин ленточных пил в зависимости от диаметра шкивов_
D о о о о ю 0 0 7 0 о 00 0 о 1000 ООП 1200 1300 1400 1500 1600 1700 1800 1900 2000 2100
S 0,75 с^ о" 1,05 сч, 1,35 1,65 00 1,95 2,25 0 2, 2,45 6, 2, 2,75 0 2, 3,05
Для номинального диаметра шкивов, используемого в ленточнопильных станках (600-700 мм) толщина ленты должна быть в пределах 0,8-1,05 мм, что больше расчетной величины, равной 0,75 мм. Для использования шкивов меньшего диаметра толщина пилы уменьшается и с учетом прочностных характеристик будет рабо-
тать на пределе. Поэтому шкивы диаметром менее 500 мм не рекомендуются, а толщина ленты менее 0,75 мм недопустима, так как не может обеспечить нормальную работу станка.
В табл. 3 приведены размеры зубьев ленточных пил для распиловки бревен, ГОСТ 10670-83.
Таблица 3
Размеры зубьев ленточных пил для распиловки бревен, ГОСТ 10670-83
Шаг зубьев 1, мм Высота зубьев к, мм Радиус закругления впадины г, мм
50 16 5
60 18 6
80 24 8
Радиус кривизны р линии пропила зависит от величины развода Д и ширины пилы В [1]
0,1252
Р =
А
(8)
Шаг зубьев выбирается из условия
обеспечения достаточной емкости межзубовых впадин и заданной шероховатости получаемых пиломатериалов. Для этого следует пользоваться зависимостью [4]:
60у
■МЖ * 1 * и
и
(9)
где hmax - максимальная высота пропила, мм;
их - подача на зуб, принимается по допустимой шероховатости поверхности материалов; V - скорость резания, м/с; Uz - скорость подачи, м/мин; I - шаг зубьев. Высота зуба определяется из выражения [1]:
h=(0,5-0,6)t. (10)
Отсюда можно заключить, что геометрические параметры пилы напрямую зависят от скорости подачи на зуб и2, которая принимается по допустимой шероховатости поверхности материалов. При
постоянной скорости пиления величина Uz является константой. Это позволяет сделать вывод о том, что оптимальную величину скорости подачи пиломатериала возможно обеспечить путем его самонадвигания, введя при этом поправочный коэффициент в выражение (9) для корректировки.
Следующим моментом анализа является изучение углов резания зубьев в зависимости от механических свойств распиливаемой древесины, которые определяют силы сопротивления резанию.
Профиль зубьев делительных и брев-нопильных пил может быть с прямой спинкой (рис. 7, а), с прямой впадиной (рис. 7, б) с выпуклой спинкой (рис. 7, в).
Рис. 7. Формы и параметры зубьв ленточных пил: а - с прямой спинкой; б - с прямой впадиной; в - с выпуклой спинкой
Угол заострения зубьев делительных ленточных пил следует выдерживать в пределах 40-55° в зависимости от твердости древесины. Выпуклый зуб по угловым значениям и по конфигурации впадины (с большим радиусом закругления) обеспечивает лучшее вмещение и прессование опилок, более пригоден для распиловки мягкой хвойной древесины. Размеры зубьев делительных ленточных пил зависят от их толщины и ширины, а также от условий распиловки. По данным [1, 2, 5] для опре-
деления основных направлений повышения производительности ленточнопильных станков необходимо рассмотреть ограничение скорости подачи и, пути большего использования рабочего и машинного времени станка.
Для распиловки бревен малых и средних диаметров, когда не требуется распиловка по индивидуальным схемам, целесообразно использовать проходной метод раскроя бревен. В этом случае коэффициент использования станка может
б
а
в
быть повышен более чем в 2 раза и обеспечена высокая производительность. Однако чтобы реализовать это направление повышения производительности пиления древесины ленточными пилами однопиль-ные ленточнопильные модули должны иметь высокую устойчивость и долговечность пил, малые габаритные размеры и металлоемкость модуля, высокую точность позиционирования.
Для повышения производительности ленточнопильных станков необходимо повышать коэффициент использования рабочего времени Кр, равный отношению машинного времени (времени работы) лен-точнопильного станка в течение смены к полному времени смены. Причины простоев ленточнопильного станка - низкая долговечность пил, неисправности узлов станка и вспомогательных механизмов. Выход из строя ленточных пил - наиболее частая причина простоев станка. Многочисленными исследованиями установлено, что разрушение ленточных пил носит усталостный характер. Оно снижает производительность станка, увеличивает трудозатраты на изготовление и подготовку пил, создает опасность для обслуживающего персонала. Чаще всего обрыву пил предшествует образование трещин в межзубовых впадинах, которое вызвано усталостью металла при повторно - переменных нагрузках.
Точность размеров пиломатериалов зависит от точности настройки станка на размер выпиливаемых пиломатериалов (установочной точности) и точности пиления. Установочная точность зависит от точности работы механизмов, устанавли-
вающих взаимное положение пилы и распиливаемого материала. У делительных станков - это точность установки базового суппорта, у однопильных бревнопильных станков - точность поперечной подачи бревна или бруса на тележке, у многопильных станков - точность позиционирования однопильных ленточнопильных модулей.
Высокая установочная прочность необходима, но недостаточна для получения пиломатериалов, соответствующих по точности стандартам. Необходимо обеспечить высокую точность пиления, которая характеризуется отклонениями пилы в процессе пиления от положения, которое она заняла при установке.
Точность пиления на ленточнопиль-ных станках является основным ограничителем скорости подачи, поэтому для повышения эффективности ленточнопиль-ных станков в первую очередь необходимо повышать точность пиления.
В работе [6] приведены исследования влияния на точность ленточного пиления скорости подачи (подачи на зуб), высоты пропила (расстояния между направляющими), породы древесины (сосна, лиственница), ширины полотна пилы (162 и 214 мм без зубьев), толщины полотна (1,47 и 1,8 мм). Опыты проводились на новом, тщательно установленном и выверенном в соответствии с техническими нормами бревнопильном станке, изготовленном английской фирмой «^еппег».
На рис. 8 приведен график, на котором показано влияние на точность распиловки скорости подачи при разных высотах пропила.
На основании тех же данных на рис. Из графиков видно, что при постоян-
9 показано влияние на точность распилов- ной толщине пилы увеличение высоты
ки высоты пропила при разных скоростях пропила приводит к снижению точности
подачи. распиловки и наоборот.
± Зо 1
9
3 8
а
л
с
£
/ {
■ / V / _ /
2 / \/ 3 / /
у /« / \ /
/ / / - / 6
\ /------
ж . МЙЛЦ К
О 2
ОТ " 0 5
а
к\
-Л.
о,»
и___
и 12
. и г М м
1.3 1,6 2,0
Рис. 8. Зависимость точности пиления на ленточнопильном станке от скорости подачи при разных высотах пропила И, ширине пилы Ь, и толщине s, мм
± .ъ
4
3
2,5 %
1 5
1
1 О
мм
200 300 400 5 СЮ 600 700 §00 Рис. 9 Зависимость точности пиления на ленточнопильном станке от высоты пропила при
разных скоростях подачи, м/мин
Таким образом, представленный анализ свидетельствует о том, что для снижения напряжения от изгиба ленты на шкивах, а, следовательно, для увеличения срока службы пилы необходимо либо увеличить диаметр шкивов, используемых в ленточ-нопильных станках (600-700 мм), либо толщина ленты должна быть в пределах 0,9-1,05 мм, что больше расчетной величи-
ны, равной 0,75 мм. Для использования шкивов меньшего диаметра толщина пилы уменьшается, с учетом прочностных характеристик будет работать на пределе.
На рис. 10 приводится график, показывающий зависимость величины поля рассеяния размеров пиломатериалов от скорости подачи при высоте пропила h=320 мм.
60
Рис. 10. Зависимость величины рассеяния размеров пиломатериалов от скорости подачи при высоте пропила h=320 мм для древесины мягких лиственных пород
Отмечается, что низкую точность пиления древесины на ленточнопильном станке нельзя объяснить неточностями его изготовления и монтажа. Повышение точности пиления следует вести в направлении повышения устойчивости пил.
Из вышесказанного можно сделать следующие выводы:
1. Оптимальную величину скорости подачи пиломатериала возможно обеспечить путем его самонадвижения, а для определения оптимальной величины подачи
на зуб Uz необходимо ввести поправочный коэффициент.
2. Точность пиления на ленточно-пильных станках является основным ограничителем скорости подачи, поэтому для повышения эффективности ленточнопиль-ных станков в первую очередь необходимо повышать точность пиления. При малых скоростях подачи точность пиления пиломатериалов снижается постепенно, при дальнейшем увеличении скорости подачи отклонение размеров от стандартных значений после некоторого предела начинает быстро увеличиваться, поэтому в даль-
нейших исследованиях следует установить, как повлияет на точность пиления пиломатериала процесс его самонадвигания.
3. При неправильном выборе угловых параметров зубьев и режимов пиления, а именно при увеличении высоты пропила и скорости подачи, силы резания возрастают, что приводит к уменьшению жесткости пилы и увеличению боковой силы. Это, в свою очередь, приводит к снижению точности пиления.
4. Библиографический список
1. Свиридов, Л.Т. Ивановский А.В,. Ивановский В.П. Современные процессы и оборудование в деревообработке: монография. Воронеж. : Воронежский ЦНТИ -филиал ФГУ «РЭА» Минэнерго России, 2011. 363 с.
2. Рекламный проспект компании ООО «Вуд-Майзер Индастриес» Ленточные пилы, С. 11.
3. Пат. 2378104 РФ, МПК В27В
33/02. Дисковая пила для обработки мяг-колиственной древесины [Текст] / Л.Т. Свиридов, А.В. Ивановский, В.П. Ивановский (РФ) ; заявитель и патентообладатель ГОУ ВПО «ВГЛТА». - №2008126798/03 ; заявл. 01.07.2008 ; опубл. 10.01.2010, Бюл. № 1. 5 с.
4. Заявка на изобретение № 2010147749. Ленточная пила для обработки мягколиственной древесины [Текст] / Л.Т. Свиридов, А.В. Ивановский, В.П. Ивановский (РФ) ; заявитель и патентообладатель ГОУ ВПО «ВГЛТА» ; заявл. 23.11.2010.
5. Ивановский, А.В., Ивановский В.П. Уточнение инженерных расчетов процессов деления мягколиственной древесины // Известия вузов. СевероКавказский регион. Технические науки. Новочеркасск, 2009. № 2. С. 68-70.
6. Свиридов, Л.Т., Максименков А.И. Ленточнопильное оборудование лесоматериалов : монография. Воронеж : ВГЛТА, 2004. 238 с.
УДК 004.09:684.04
АЛГОРИТМИЗАЦИЯ ПРОЦЕДУРЫ ЭКСПРЕСС-АНАЛИЗА ЭКОЛОГИЧНОСТИ
ИЗДЕЛИЙ КОРПУСНОЙ МЕБЕЛИ А. А. Щекалёва
Группа компаний DSR, ООО «Софт» (г. Воронеж) starlet.vrn@gmail.com
При изготовлении изделий корпусной мебели широко используются плитные и листовые конструкционные материалы: ДСтП, ДВП, MDF (ДВП средней плотно-
сти) и другие. В процессе производства этих материалов в качестве связующего вещества применяются карбамидофор-мальдегидная и фенолоформальдегидная
