Проблемы и перспективы применения коленвальных (эксцентриковых) станков в лесопилении

УДК 674.053

ПРОБЛЕМЫ И ПЕРСПЕКТИВЫ ПРИМЕНЕНИЯ КОЛЕНВАЛЬНЫХ (ЭКСЦЕНТРИКОВЫХ) СТАНКОВ В ЛЕСОПИЛЕНИИ

PROBLEMSANDPROSPECTSOFGRANKSHAFT (ECCENTRIK) MACHINERYUSAGEINSAWMILLING

Шилько В.К., Слепченко В.А., Слепченко И.В.

Shilko V.K., Slepchenko V.A., Slepchenko I.V.

Рассмотрены вопросы развития коленвальных лесопильных станков с враща-тельно-поступательным движением резания. Проанализирована кинематика резания инструмента. Приведен сравнительный анализ по режимам резания и производительности коленвальных станков. Проанализированы проблемы, связанные с удалением стружки из зоны пропила. Предложено для коленвальных станков разносить группу пил по двум плоскостям.

Viewed deals with the evolution and applying of crankshafts sawing machines with a rotary-translational motion cutting. The kinematics of tool cutting is analyzed. The comparative analysis on cutting modes and productivity of crankshafts sawing machines is given. The problems associated with the removal of chips from the cutting zone are analyzed. It is proposed for the crankshafts sawing machines to spread a group of saws along two planes.

Ключевые слова: Лесопильное оборудование, коленвальный станок, пила, кинематика резания, траектория движения зубьев, стружкообразование, устойчивость пил

Key worlds: Sawmill equipment, kolenvalny machine, saw, cutting-kinematics of the trajectory of movement of the teeth, chip formation, stability saws

В современном деревообрабатывающем станкостроении постоянно идут поиски нового типа лесопильного оборудования, способного эффективно заменить лесопильные рамы при продольной групповой распиловке древесины. По мнению ряда исследователей [1, 2, 3], таким видом оборудования могут стать коленвальные, или, как их еще иногда называют, эксцентриковые станки. Попытки создания данного типа лесопильного оборудования обусловлены необходимостью улучшения динамических характеристик традиционных кривошипно-шатунных лесопильных рам.

В настоящее время для продольной распиловки древесины наиболее массово применяют три основных вида лесопильного оборудования, - ленточно-пильные станки, лесопильные рамы и круглопильные станки. Это оборудование может работать как с одиночной пилой, так и с группой или поставом пил. Первые два вида лесопильного оборудования используют кинематику резания, основанную на сочетании двух прямолинейных движений, - главного и подачи. Круглопильные станки используют кинематику резания, основанную на сочетании главного вращательного движения пилы и прямолинейного движения подачи заготовки, или инструмента. Несмотря на то, что траектории резания у этих трех видов лесопильного оборудования отличаются

друг от друга, общим для них является схема последовательного стружкоот-деления каждым зубом пилы обрабатываемой заготовки в плоскости, параллельной оси бревна и перпендикулярной пропилу (рис.1).

Рисунок 1 - Схема движения зубьев рамных, ленточных и круглых пил в пропиле: а - разведенные зубья, б - плющеные или наплавленные зубья, где S

- толщина пилы; S0 - уширение зуба пилы на сторону; B - ширина пропила; Sz

- величина подачи на зуб; у - угол поднутрения зуба пилы

Как следует из схемы, представленной на рис. 1, группа зубьев пилы последовательно друг за другом формирует обработанные поверхности по всей ширине пропила.

Рассмотрим подробнее кинематику движения зубьев рамных, ленточных и круглых пил с учетом реальной траектории резания.

Параметрические уравнения траектории движения зубьев рамной пилы в пропиле имеют вид [4]:

о = R

= $2х а / 2п

где о = R(1 - cosa)- уравнение движения пильной рамки; x = s2ха /2п - уравнение движения подачи бревна; R- радиус кривошипа; a - угол поворота кривошипа; S2x - подача на оборот кривошипа (посылка).

Окончательно уравнение траектории движения зуба рамной пилы получим путем решения системы уравнений (1) относительно угла поворота кривошипа a:

S2 x R — y /оч

x = —— arccos-—

2п R

Построив по данной зависимости кривую, можно получить графическое изображение траектории движения зуба рамной пилы в пропиле, которая будет представлять собой косинусоиду.

Параметрические уравнения траектории движения зубьев ленточной пилы в пропиле имеют вид [4, 5]:

У = V т

V, ,

х = — т 60

V

где о = Vr т - уравнение движения ленточной пилы; х = — т - уравнение движения

подачи бревна (или движения подачи механизма резания для циклопозиционных станков); V - скорость подачи, м/мин; Уг - скорость резания, м/с; т - мгновенное время, с. Если исключить время т, то получаем уравнение прямой

У = 6^х.

V

Однако в связи с тем, что складываются два прямолинейных движения, траектория резания для каждого зуба ленточной пилы будет иметь угол наклона

Х = аг^^ -1,5...20.

r

Таким образом, каждый зуб ленточной пилы в соответствии с кинематикой резания движется прямолинейно и равномерно по траектории, являющейся наклонной прямой. Это самая простая траектория резания из всех имеющихся типов лесопильного оборудования. Такую же траекторию резания имеют цепные пилы. Однако низкая скорость резания и большая ширина пропила не позволяют данным станкам конкурировать с вышеприведенными тремя видами основного лесопильного оборудования.

Параметрические уравнения траектории движения зубьев круглой пилы в пропиле имеют вид [4]:

y = R sin ют + V т — s . (6) x = R cos ют

Система (6) без слагаемого параметра Vst является уравнениями циклоиды. Но поскольку слагаемый параметр Vsт характеризует приращение к окружности линейной части, меньшей, чем длина окружности круглой пилы, то получается перекатывание окружности по прямой плоскости со скольжением, характерное для удлиненной циклоиды.

Исключив время т, получают уравнение траектории движения зуба круглой пилы в плоскости пропила

_ z { V ^

R2 - y2 + -2- arceos — ,

R

v R У

2л

где Я - радиус круглой пилы; ю - текущий угол поворота пилы; - величина подачи на зуб при числе зубьев круглой пилы 2.

Таким образом, каждый зуб круглой пилы в пропиле движется по траектории резания, представляющей из себя удлиненную циклоиду.

Как следует из уравнений (1) - (7), параметрические уравнения движения зубьев пилы для всех трех видов лесопильного оборудования разные, однако общим для всех их остается последовательное формирование пропила зубьями пилы.

Уже более ста лет (первый патент в США датирован 1907 годом) ведется разработка так называемой «коленвальной лесопильной рамы» или «колен-вального лесопильного станка» (эксцентрикового станка). Это разновидность бесшатунной короткоходовой лесопильной рамы [2], в которой постав пил разнесен по нескольким плоскостям, (обычно по трем) для улучшения динамических характеристик работы станка. Каждая пила совершает движения, аналогичные движениям спарника шатуна паровоза. В работах [1, 2, 3] такое движение называют как «круговое поступательное», несмотря на то, что каждый зуб полосовой пилы совершает вращательное движение, а заготовка (бревно) движется поступательно с прямолинейным равномерным движением. То есть траектория резания каждого зуба пилы будет представлять собой удлиненную циклоиду, аналогичную траектории движения зуба круглой пилы. Но в отличие от круглой пилы, где все зубья имеют одну ось вращения, в коленвальных или эксцентриковых станках каждый зуб полосовой пилы имеет свою мнимую ось вращения, расположенную на линии соединения осей вращения кривошипов или эксцентриков. Основным отличием такой кинематики движения зубьев полосовой пилы является то, что пропил формируется группой зубьев, работающих параллельно направлению вектора скорости резания (Рис. 2), а не последовательно, как в предыдущих трех случаях. Поэтому у коленвальных станков подача на один оборот кривошипа будет являться одновременно и подачей на зуб Sz, тогда как у лесопильных рам или круглопильных станков она делится на число зубьев, находящихся в пропиле.

Рисунок 2- Схема работы зубьев полосовой пилы эксцентрикового (ко-ленвального) станка: t - шаг зубьев пилы, Vг - скорость резания, V - движение подачи заготовки

При этом, чтобы достичь производительности лесопильной рамы типа Р-65-4 при скорости подачи V= 6 ... 10 м/мин и при подаче на зуб = 1 ... 3 мм, эксцентриковый станок должен иметь обороты на порядок выше. В этом случае скорость подачи составит, м/мин:

V = ^,

4 1000

где п - частота вращения приводного эксцентрика или коленвала, мин-1. Отсюда следует, что обороты должны составить

1000У, 1000x15 -1

п =-1 =-=15000...5000 мин .

^ 1...3 4 7

На практике у таких станков обороты обычно не превышают 3000 ... 4000 мин-1 при скорости резания 25 ... 35 м/с. Отсюда реальная скорость подачи составляет Vs= 3 ... 12 м/мин.

Как видно из выражения (9), коленвальные станки не могут претендовать на выдающуюся производительность. В лучшем случае по производительности они могут быть сравнимы с одноэтажными лесопильными рамами при удовлетворительной динамике пиления.

Другой острой проблемой таких станков является высокая тепловая напряженность полосовой пилы, что связано с постоянным нахождением ее в пропиле при неудовлетворительном выносе опилок из зоны резания. В связи с тем, что при нагреве пилы, вследствие термического расширения материала, меняется ее относительное удлинение, а соответственно и жесткость, то собственные частоты колебаний пилы тоже будут падать, создавая проблему устойчивости. То же самое относится и к короткоходовым лесопильным рамам, выполненным по традиционной кривошипно-шатунной схеме. Ведь за несколько столетий эволюции лесопильных рам величина хода пильной рамки, корреляционно связанная с их частотой вращения и определяющая производительность, сформировалась по отношению к диаметру бревна таким образом, чтобы основные зубья пилы, участвующие в работе, выходили из пропила. Поэтому важной проблемой, стоящей перед создателями эксцентриковых станков и короткоходовых лесопильных рам, является снижение тепловой напряженности пилы, или создание таких пил, которые неплохо бы работали в условиях повышенных тепловых нагрузок.

Еще одним аспектом, определяющим работоспособность лесопильных станков, является то, что пила должна пилить тянущим участком. При этом создается дополнительное усилие натяжения пилы, добавляемое к усилию предварительного растяжения. А на станках типа «Шершень» [3], где пилы разнесены в трех плоскостях, одна группа пил является тянуще -толкающей по отношению к другой группе пил, находящихся в пропиле, что вызывает дополнительные напряжения сжатия и не создает благоприятных условий для сохранения устойчивости. Впоследствии это подтвердилось опытной эксплуатацией данных станков, когда имели место случаи обрыва пил вследствие потери ими устойчивости.

Тем не менее, кинематика работы эксцентриковых или коленвальных станков заслуживает внимания, чтобы ее тщательно изучить. Авторы статьи предполагают это сделать на однопильной модели, где можно выявить все особенности стружкоудаления, тепловые явления, устойчивость пилы и др. Такого рода станки, на взгляд авторов, смогут конкурировать с ленточно-пильными циклопозиционными горизонтальными станками легкого класса, благодаря своей простоте эксплуатации и низкой стоимости инструмента.

Таким образом, при решении сложной технической проблемы - проектировании, разработке, создании и обеспечении работоспособного состояния многопильного станка с круговым поступательным движением пильных по-

лотен, разнесенных по нескольким плоскостям для улучшения динамических характеристик работы, необходимо изучить и решить следующие вопросы:

1. Решить проблему короткого хода пильных полотен, что затрудняет вынос опилок из зоны резания и ведет к повышенным тепловым напряжениям пил, приводящим к потере ими устойчивости. Кроме того, для случая сообщения движения ведомому валу посредством пил, возникают дополнительные трудности с обеспечением динамических характеристик работы пильного модуля.

2. Исследовать кинематику резания зубьев пилы по удлиненной циклоиде во взаимосвязи с процессами стружкообразования, стружкоудаления и геометрическими характеристиками зубьев пил.

3. Изучить процессы стружкообразования и запрессовки стружки в межзубовой впадине при выборе формы межзубовой впадины зуба пилы с учетом коэффициента запрессовки стружки в межзубовой впадине и баланса стружкоуда-ления.

4. Чтобы распиловка шла в режиме «тянущей» пилы, а не «тянуще -толкающей» или «толкающей», целесообразно разносить эксцентрики по двум или четырем плоскостям, но не по трем или пяти. Это позволит избежать дополнительных напряжений сжатия в пиле в момент совершения ею рабочего хода и повысит устойчивость пил.

5. Для повышения скорости подачи и производительности станка необходима разработка специальных пил с группами зубьев по 2 ... 3 зуба, расположенных друг над другом как у дереворежущих долбяков, что вытекает из кинематики резания. Также необходимо продумать конструкцию пил со стружковыносными зубьями, как у дереворежущих долбяков.

6. Решить проблему работы корректирующих масс пильных модулей при отсутствии систем автоматического регулирования для случаев падения собственных частот колебаний пил и пильных модулей вследствие переточек и накопления усталостных повреждений, а также изменении толщины или набора количества пил в поставе.

7. Провести учет влияния динамических эффектов от присоединенных масс древесины и демпфирования колебаний пил в древесной среде.

Выводы:

1. В ближайшие десятилетия основными видами лесопильного оборудования будут оставаться лесопильные рамы, ленточнопильные и круглопиль-ные станки, которые будут постоянно совершенствоваться [5].

2. При проектировании новых типов лесопильных станков необходимо учитывать стружкоотвод при резании, тепловую напряженность пил, условие пиления тянущей, а не толкающей ветвью пилы, кинематику резания и другие факторы.

3. Эксцентриковые станки с кинематикой резания зубьев полосовой пилы по удлиненной циклоиде представляют интерес с точки зрения упрощения существующего оборудования для малых лесопромышленных предприятий как альтернатива циклопозиционным горизонтальным ленточнопильным станкам легкого класса.

Список использованных источников

1. Прокопов, В. С. Исследование динамического поведения многопильного станка с круговым поступательным движением дереворежущих полотен // Известия ВУЗов. Машиностроение. №1, 2011. - С. 14-17.

2. Блохин, М.А. Исследование, расчет и конструирование лесопильного модуля в станках с поступательно-круговым движением режущего инструмента / М.А. Блохин, В.С. Прокопов, А.С. Карпаков // Строительные и дорожные машины: ж-л.-Вып. 9, 2013. - С. 20-27.

3. Гаврюшин, С.С. Разработка методики численного анализа динамических характеристик многопильного станка с круговым поступательным движением дереворежущих полотен / С.С. Гаврюшин, В.С. Прокопов, М.А. Блохин.- М: Вестник Московского государственного технического университета им. Н.Э. Баумана. Серия: Машиностроение. № 4, 2010. - С. 108-120.

4. Шилько, В.К. Анализ перспектив развития станков для продольной распиловки древесины с новыми кинематическими схемами движения инструмента / В.К. Шилько, А.А. Кондратюк, О.Ф. Токарева. - Тамбов: Перспективы развития науки и образования: сб. науч. трудов по материалам Международной заочной НПК 28 сентября 2012. - Часть 8.- Изд-во ТРОО «Бизнес-Наука-Общество», 2012. - С. 145-149.

5. Шилько, В.К. Механизмы резания ленточнопильных станков. - Томск: Изд-во ТГАСУ, 2005. - 220 с.