ПИЛЬНЫЙ МОДУЛЬ ДЛЯ РАСПИЛОВКИ ПОВЫШЕННОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ
SAW UNIT FOR SAWING OF INCREASED EFFICIENCY

Область техники
Изобретения относятся к области распиловки твердых материалов, преимущественно древесины, но также и металла, пластмасс, камня, кости, стекла и других.
Предшествующий уровень техники
Известно устройство для распиловки древесины, содержащее станину, на которой расположен пильный блок в виде ведущего и ведомого валов с параллельными осями вращения, на которых шарнирно закреплены на эксцентриках пильные модули, каждый из которых представляет собой пильное полотно, имеющее зубья, межзубовые впадины и заднюю кромку и закрепленное между двумя крепежными узлами (SU 146019, В27В 15/04, 1962). В этом устройстве пильные модули размещены на консольных участках валов, при этом передача движения от ведущего вала к ведомому осуществляется с помощью цепной передачи. Однако цепная передача ограничивает частоту вращения валов, а само устройство не решает задачу исключения эффекта формоизменения пильного полотна. При этом ширина распила недопустимо увеличивается.
Известны также устройства для распиловки древесины, содержащие станину, на которой расположены пильный блок в виде ведущего и ведомого коленчатых валов с параллельными осями вращения и с опорами на концах и пильных модулей с пильными полотнами, шарнирно закрепленных на одноименных шейках коленчатых валов (SU 1771443, В27В 3/00, 1992 г.; RU 2058884, В27В 3/10, 1996 г.; RU 2060872, В27В 3/00, 1996 г;). Во всех этих устройствах используется дополнительная сложная кинематическая связь между ведущим и ведомым валами для обеспечения синхронизации их вращения, что усложняет и утяжеляет конструкцию в целом, но не решает проблему уменьшения ширины распила и снижения энергозатрат на распиловку.
Из описаний изобретений к RU №2292259, В27В 3/00, B28D 1/06, B23D 49/00 RU, а также 2555798, В27В 3/00, 20013 г. известны:
- пильный модуль, содержащий, по меньшей мере, одно пильное полотно, имеющее зубья, межзубовые впадины и заднюю кромку и закрепленное между крепежными узлами, предназначенными для шарнирного соединения с ведущим и ведомым валами, оси вращения которых параллельны друг другу, со смещением оси шарнира каждого крепежного узла относительно оси вращения соответствующего ему вала, причем центр масс каждой половины указанного модуля, образованной половиной пильного полотна и соответствующим ей крепежным узлом, расположен в точке, находящейся на расстоянии от оси шарнира этого крепежного узла, не превышающем четырехкратной величины смещения указанной оси относительно оси вращения соответствующего вала; при этом пильное полотно (12) установлено так, что ось нижнего шарнира (14) расположена относительно линии центра тяжести сечения несущей конструкции полотна (12) на расстоянии равном 0,5…0,75 ширины указанного полотна, а ось верхнего шарнира (14) расположена относительно линии центра тяжести сечения несущей конструкции полотна (12) на расстоянии равном 0,1…0,4 ширины указанного полотна, измеряемой между задней кромкой (27) указанного полотна и линией межзубовых впадин (26), а ширина полотна (12) находится в пределах 0,1…0,45 его свободной длины.
- пильный блок, содержащий ведущий и ведомый валы с параллельными осями вращения и опорами на концах, стойки для размещения опор и, по меньшей мере, один пильный модуль, выполненный в виде, по меньшей мере, одного пильного полотна, имеющего зубья, межзубовые впадины и заднюю кромку и закрепленного между двумя крепежными узлами, шарнирно соединенными с ведущим и ведомым валами со смещением оси шарнира каждого крепежного узла относительно оси вращения соответствующего ему вала, причем центр масс каждой половины указанного модуля, образованной половиной пильного полотна (12) и соответствующим ей крепежным узлом (13), расположен в точке, находящейся на расстоянии от оси шарнира (14) этого крепежного узла, не превышающем четырехкратной величины смещения указанной оси относительно оси вращения (6) соответствующего вала; при этом пильное полотно (12) установлено так, что ось нижнего шарнира (14) расположена относительно линии центра тяжести сечения несущей конструкции полотна (12) на расстоянии равном 0,5…0,75 ширины указанного полотна, а ось верхнего шарнира (14) расположена относительно линии центра тяжести сечения несущей конструкции полотна (12) на расстоянии равном 0,1…0,4 ширины указанного полотна, измеряемой между задней кромкой (27) указанного полотна и линией межзубовых впадин (26), а ширина полотна (12) находится в пределах 0,1…0,45 его свободной длины.
- устройство для распиловки, включающее станину, на которой расположен пильный блок, содержащий ведущий и ведомый валы с параллельными осями вращения и опорами на концах, стойки для размещения опор и, по меньшей мере, один пильный модуль, выполненный в виде, по меньшей мере, одного пильного полотна, имеющего зубья, межзубовые впадины и заднюю кромку и закрепленного между двумя крепежными узлами, шарнирно соединенными с ведущим и ведомым валами со смещением оси шарнира каждого крепежного узла относительно оси вращения соответствующего ему вала, причем центр масс каждой половины указанного модуля, образованной половиной пильного полотна (12) и соответствующим ей крепежным узлом (13), расположен в точке, находящейся на расстоянии от оси шарнира (14) этого крепежного узла, не превышающем четырехкратной величины смещения указанной оси относительно оси вращения (6) соответствующего вала; при этом пильное полотно (12) установлено так, что ось нижнего шарнира (14) расположена относительно линии центра тяжести сечения несущей конструкции полотна (12) на расстоянии равном 0,5…0,75 ширины указанного полотна, а ось верхнего шарнира (14) расположена относительно линии центра тяжести сечения несущей конструкции полотна (12) на расстоянии равном 0,1…0,4 ширины указанного полотна, измеряемой между задней кромкой (27) указанного полотна и линией межзубовых впадин (26), а ширина полотна (12) находится в пределах 0,1…0,45 его свободной длины.
1
2
В известных технических решениях (см. фиг. 3), когда ω=ω=const, а компенсаторы (15) обеспечивают и регулируют условия, при которых центр масс каждой половины указанного модуля, образованный половиной пильного полотна (12) и соответствующим ей крепежным узлом (13), расположен в расчетной точке, силы инерции компенсаторов создают моменты сил в крепежных узлах (13), которые трансформируются в силы, растягивающие пильное полотно (12), что стабилизирует его устойчивое резание.
Однако необходимо отметить негативный эффект, связанный с появлением сил, сжимающих пильное полотно (12). Этот негативный эффект возникает при вращении и в момент нахождения пильного модуля в положении, повернутом на 180° вокруг осей валов (6), относительно представленного на фиг. 3. Инерционные силы крепежных узлов создают появление сил, сжимающих полотно, что приводит к потере его устойчивости с увеличением инерционных сил при частоте вращения пильного модуля выше значений 2500…3000 об/мин.
Вышеупомянутый недостаток приводит к параметрическому резонансу полотен, уводу полотен от заданной траектории движения, увеличению разнотолщинности пиломатериала, ширины распила и усилия резания, перегреву и заклиниванию полотен в зоне распила и, как следствие, к снижению рабочих оборотов и производительности станка.
В известных технических решениях также не определены и не представлены оптимальные соотношения масс компенсаторов и используемых пильных полотен, которые характеризуются различными геометрическими параметрами и формой их закрепления в крепежных узлах. Одновременно с этим компенсаторы вынужденно утяжеляют крепежные узлы, повышая напряжения в их конструкции и, соответственно, общую массу, что приводит к определенному ограничению ресурса (долговечности) работы шариковых (роликовых) радиально-упорных подшипников крепежных узлов, а также повышенному энергопотреблению пильного модуля.
Раскрытие изобретения
Задачей, на решение которой направлены заявленные изобретения, является:
- повышение производительности пильного модуля и, соответственно, пильного блока и станка (фиг. 1, 2, 3);
- повышение ресурса работы пильного модуля (станка) за счет уменьшения массы компенсаторов (15) до величин, обеспечивающих балансировку части пильного полотна (12) в пределах 0,2…0,4 его свободной длины (Lсв, на фиг. 4) в каждом крепежном узле, то есть увеличения долговечности работы шариковых (роликовых) радиально-упорных подшипников пильных модулей (не показаны);
- снижение энергопотребления каждого пильного модуля и станка в целом на холостом и в рабочем режимах.
Эта задача в отношении пильного модуля решается тем, что в пильном модуле, содержащем, по меньшей мере, одно пильное полотно, имеющее зубья, межзубовые впадины и заднюю кромку и закрепленное между двумя крепежными узлами, предназначенными для шарнирного соединения с ведущим и ведомым валами, оси вращения которых параллельны друг другу, со смещением оси шарнира каждого крепежного узла относительно оси вращения соответствующего ему вала, причем центр масс каждой половины указанного модуля, образованной частью полотна в пределах 0,2…0,4 свободной длины указанного полотна и соответствующим ей крепежным узлом, расположен в точке, находящейся на расстоянии от оси шарнира этого крепежного узла, не превышающем четырехкратной величины смещения указанной оси относительно оси вращения соответствующего вала, пильное полотно установлено так, что ось нижнего шарнира расположена относительно линии центра тяжести сечения несущей конструкции полотна на расстоянии равном 0,5…0,75 ширины указанного полотна, а ось верхнего шарнира расположена относительно линии центра тяжести сечения несущей конструкции полотна на расстоянии равном 0,1…0,4 ширины указанного полотна, измеряемой между задней кромкой указанного полотна и линией межзубовых впадин, при этом ширина полотна находится в пределах 0,1…0,45 его свободной длины.
В случае установки пильного модуля на ведущем и ведомом эксцентриковых валах указанное смещение равно расстоянию между геометрической осью эксцентрика и осью вращения вала, а в случае установки пильного модуля на ведущем и ведомом коленчатых валах указанное смещение равно расстоянию между осью шейки колена и осью вращения вала.
Такое выполнение пильного модуля создает условие напряженного состояния пильного полотна, которое обеспечивает повышение частоты собственных колебаний первой формы и частоты параметрического резонанса, при прочих равных условиях, т.е. увеличение зоны рабочих оборотов пильного блока, а иначе - обеспечивает увеличение производительности станка на 25…50%%, повышение его ресурса работы (долговечности) на 15…20%%, и снижение общей потребляемой мощности на 10…15%%.
Заданное положение центра масс каждой указанной половины пильного модуля обеспечивается введением необходимой корректирующей массы (компенсатора) в соответствующий крепежный узел. Размеры и масса компенсаторов могут меняться в зависимости от требуемых условий работы пильного модуля: частоты оборотов в минуту, геометрии используемого пильного полотна и силы его натяжения, а также формы его расположения в каждом крепежном узле.
В процессе работы пильное полотно удлиняется под воздействием растягивающих сил и нагрева. Чтобы компенсировать это удлинение, в крепежном узле, предназначенном для его установки на ведомом валу и содержащем хомут (элемент шарнирного соединения крепежного узла с валом) и соединенную с хомутом скобу, последняя снабжена средством подвижной фиксации пильного полотна. Указанное средство содержит, по меньшей мере, один штифт, который размещен как в отверстии, выполненном на конце пильного полотна, так и в соосных отверстиях, выполненных в противоположных стенках скобы. Штифт установлен в отверстиях с возможностью перемещения вдоль продольной оси пильного полотна, для чего отверстия выполнены удлиненными в указанном направлении. Внутри скобы может быть закреплена пружина (упругий элемент) для взаимодействия со штифтом.
В отношении пильного блока задача решается тем, что в пильном блоке, содержащем ведущий и ведомый валы с параллельными осями вращения и опорами на концах, стойки для размещения опор и, по меньшей мере, один пильный модуль, выполненный в виде, по меньшей мере, одного пильного полотна, имеющего зубья, межзубовые впадины и заднюю кромку и закрепленного между двумя крепежными узлами, шарнирно соединенными с ведущим и ведомым валами со смещением оси шарнира каждого крепежного узла относительно оси вращения соответствующего ему вала, причем центр масс каждой половины пильного модуля, образованной частью полотна в пределах 0,2…0,4 свободной длины указанного полотна и соответствующим ей крепежным узлом, расположен в точке, находящейся на расстоянии от оси шарнира этого крепежного узла, не превышающем четырехкратной величины смещения указанной оси относительно оси вращения соответствующего вала, пильное полотно установлено так, что ось нижнего шарнира расположена относительно линии центра тяжести сечения несущей конструкции полотна на расстоянии равном 0,5…0,75 ширины указанного полотна, а ось верхнего шарнира расположена относительно линии центра тяжести сечения несущей конструкции полотна на расстоянии равном 0,1…0,4 ширины указанного полотна, измеряемой между задней кромкой указанного полотна и линией межзубовых впадин, при этом ширина полотна находится в пределах 0,1…0,45 его свободной длины.
Ведущий и ведомый валы могут быть выполнены коленчатыми, при этом указанное смещение равно расстоянию между осью шейки колена и осью вращения вала.
Ведущий и ведомый валы могут быть выполнены эксцентриковыми, при этом указанное смещение равно расстоянию между геометрической осью эксцентрика и осью вращения вала.
Кроме того, эксцентрики эксцентрикового вала могут быть выполнены с возможностью их установки в заданном осевом положении для регулирования промежутков между пильными модулями, что позволяет изменять толщину выпиливаемого материала.
Это можно осуществить, например, путем выполнения эксцентриков съемными с фиксацией их на валах с помощью шпонок, а между эксцентриками могут быть установлены дополнительные распорные элементы (разлучки).
Каждая стойка может быть выполнена с направляющими для установки опор валов, при этом каждая опора подпружинена для растягивания пильного полотна.
Кроме того, пильные модули могут быть установлены на указанных валах с равным угловым смещением друг относительно друга. При этом центробежные силы, возникающие при круговом поступательном движении пильных полотен, сами себя уравновешивают, в результате чего работа опорных подшипников осуществляется под нагрузкой сил резания только одного пильного модуля и общего усилия натяжения пильных полотен пильного блока. Причем сила резания практически постоянна в своем направлении и изменяется только по величине в зависимости от размера и свойств распиливаемого материала. Это исключает массивную станину и увеличивает ресурс работы пильного блока.
В отношении устройства для распиловки задача решается тем, что в устройстве для распиловки, включающем станину, на которой расположен пильный блок, содержащий ведущий и ведомый валы с параллельными осями вращения и опорами на концах, стойки для размещения опор и, по меньшей мере, один пильный модуль, выполненный в виде, по меньшей мере, одного пильного полотна, имеющего зубья, межзубовые впадины и заднюю кромку и закрепленного между двумя крепежными узлами, шарнирно соединенными с ведущим и ведомым валами со смещением оси шарнира каждого крепежного узла относительно оси вращения соответствующего ему вала, центр масс каждой половины пильного модуля, образованной частью полотна в пределах 0,2…0,4 свободной длины указанного полотна и соответствующим ей крепежным узлом, расположен в точке, находящейся на расстоянии от оси шарнира этого крепежного узла, не превышающем четырехкратной величины смещения указанной оси относительно оси вращения соответствующего вала, пильное полотно установлено так, что ось нижнего шарнира расположена относительно линии центра тяжести сечения несущей конструкции полотна на расстоянии равном 0,5…0,75 ширины указанного полотна, а ось верхнего шарнира расположена относительно линии центра тяжести сечения несущей конструкции полотна на расстоянии равном 0,1...0,4 ширины указанного полотна, измеряемой между задней кромкой указанного полотна и линией межзубовых впадин, а ширина полотна находится в пределах 0,1…0,45 его свободной длины.
Краткое описание чертежей.
Более подробно предлагаемые изобретения раскрываются со ссылками на представленные чертежи:
На фиг. 1 изображено устройство для распиловки, вид спереди;
на фиг. 2 - устройство для распиловки, вид сбоку;
на фиг. 3 - пильный модуль, вид сбоку;
на фиг. 4 - пильный модуль, вид спереди;
на фиг. 5 - пильный модуль, местный вид с местным разрезом в области средства подвижной фиксации пильного полотна;
на фиг. 6 - пильный модуль, местный вид и сечение в области средства подвижной фиксации пильного полотна.
Примеры осуществления изобретения.
Предлагаемое устройство для распиловки (фиг. 1 и 2) содержит станину 1, на которой расположены пильный блок 2 и средства подачи и отвода распиливаемого материала (механизм подачи - не показано). Пильный блок 2 содержит ведущий вал 3, связанный шкивом 4 с электродвигателем (не показан), ведомый вал 5, при этом оси вращения 6 обоих валов параллельны и оба вала закреплены по концам в опорах 7 и 8 соответственно. Опоры 7 и 8 размещены на стойках 9, каждая из которых имеет направляющие 10, закрепленные в станине 1. На валах 3 и 5 размещены пильные модули 11, каждый из которых содержит, по меньшей мере, одно пильное полотно 12 с зубьями 25, межзубовыми впадинами 26 и задней кромкой 27 (в примерах осуществления устройства для распиловки, показанных на фиг. 1, 5 и 6, пильный модуль имеет два пильных полотна 12), которое закреплено между двумя крепежными узлами 13, шарнирно соединенными с валами 3 и 5, т.е. каждый крепежный узел 13 образует с валом 3 или 5 соответственно подвижное соединение, допускающее вращение вокруг их общей оси, являющейся осью вала 6. Ось шарнира 14 каждого крепежного узла 13 смещена относительно оси вращения 6 вала 3 или 5. Если валы 3 и 5 выполнены эксцентриковыми, то осью шарнира 14 является геометрическая ось эксцентрика, а если валы 3 и 5 выполнены коленчатыми, то осью шарнира 14 является ось шейки колена вала.
С целью обеспечения заданного положения центра масс каждой половины пильного модуля 11 на крепежном узле 13 установлен компенсатор 15 в виде инерционного груза, способствующего минимизации эффекта инерционного формоизменения пильного полотна.
Крепежный узел 13 имеет хомут 16 (элементы шарнирного соединения крепежных узлов 13 с валами 3 и 5), а крепежный узел, установленный на ведомом валу 5, имеет соединенную с хомутом 16 скобу 17, при этом последняя снабжена средством подвижной фиксации 18 пильного полотна 12. Указанное средство подвижной фиксации содержит, по меньшей мере, один штифт 19, установленный с возможностью перемещения вдоль продольной оси пильного полотна 12.
На фиг. 5 и 6 показан вариант выполнения средства подвижной фиксации 18 с двумя штифтами 19, которые размещены как в отверстиях 20, выполненных на конце пильного полотна 12, так и в соосных отверстиях 21, выполненных в противоположных стенках 22 и 23 скобы 17. Штифты 19 имеют возможность перемещения в отверстиях 21 вдоль продольной оси пильного полотна, так как отверстия 21 выполнены удлиненными в указанном направлении. Со штифтами 19 взаимодействует закрепленная внутри скобы пружина 24, обеспечивающая заданное усилие натяжения полотна при холостом ходе и при нагреве полотна во время распиловки.
На фиг. 3 показан пильный модуль с определенным расположением пильного полотна 12, где В - ширина указанного полотна, измеряемая расстоянием между линией межзубовых впадин и задней кромкой полотна, при этом масса компенсатора 15 обеспечивает равновесие крепежного узла относительно оси 14 с учетом массы пильного полотна в пределах 0,2…0,4 его свободной длины Lсв (фиг. 4).
Пильное полотно 12 установлено так, что ось нижнего шарнира, расположена относительно линии центра тяжести сечения несущей конструкции полотна на расстоянии равном (0,5…0,75)В, а ось верхнего шарнира расположена относительно линии центра тяжести сечения несущей конструкции полотна на расстоянии равном (0,1…0,4)В, где В - ширина указанного полотна, измеряемая между задней кромкой указанного полотна и линией межзубовых впадин.
Величиной внецентренного растяжения полотна принято называть величину расстояния от линии сил растяжения до линии, проходящей через центр тяжести сечения несущей конструкции пильного полотна. При этом ширина полотна , где  - свободная длина полотна (см. фиг. 4).
Такое расположение пильного полотна 12, при прочих известных параметрах пильного модуля, увеличивает частоту собственных колебаний первой формы, минимизируя эффект резонансного формоизменения пильного полотна 12 и его последствий.
Каждая опора 7 и 8 валов 3 и 5, соответственно, при установке ее на направляющих 10 подпружинена для растягивания пильного полотна 12 (на фиг. 1 и 2 показаны пружины 31), что также обеспечивает заданное усилие натяжения пильного полотна 12 при холостом ходе и при нагреве пильного полотна 12 во время распиловки.
При выполнении ведущего 3 и ведомого 5 валов эксцентриковыми (как показано на фиг. 3 и 6) их эксцентрики 28 могут быть выполнены съемными с фиксацией их на валах 3 и 5 с помощью шпонок 29, а между эксцентриками могут быть установлены дополнительные распорные элементы 30 (разлучки) для регулировки промежутков между пильными модулями 11, что позволяет выпиливать доски различной толщины.
В случае использования в устройстве для распиловки пильного блока 2 только с одним пильным модулем 11 целесообразно связать ведущий вал 3 и ведомый 5 гибкой кинематической связью, например, клиновым ремнем для синхронизации их вращения.
Если же в пильном блоке 2 установлено два и более пильных модулей 11, то в этом случае сами пильные модули 11 являются синхронизаторами вращения обоих валов 3 и 5. В примере осуществления изобретения, показанном на фиг. 1, используются шесть пильных модулей 11, установленных на валах с равным угловым смещением друг относительно друга, что является оптимальным как для обеспечения динамической устойчивости устройства, так и для энергопотребления при распиловке.
Как показали испытания, устройству для распиловки, имеющему вышеописанный пильный блок с шестью пильными модулями, достаточно общей потребляемой мощности 8,1…12,1 кВт для роспуска на доски пиловочника с характерным диаметром до 340 мм при скорости подачи (производительности) 1…5 м/мин и частоте вращения ведущего и ведомого валов около 5000 об/мин, что не является пределом. Габариты всего устройства для распиловки бревен диаметром до 340 мм не превышают 1000×1240×1590 мм при общей массе устройства около 750 кг.
Выполнение пильного полотна 12 с твердосплавными режущими элементами (не показаны) или из специальных стеллитоподобных сплавов позволяет обрабатывать материалы различной твердости при ширине распила не более 2,0…2,1 мм. При этом пильное полотно 12 не нуждается в частой перезаточке и практически не меняет своих геометрических параметров в процессе эксплуатации. Разнотолщинность досок хвойных пород толщиной 50 мм, при их ширине 150 мм и длине 6,2 м, составляет 0,1…0,3 мм, а разность размеров толщин досок, выпиливаемых пильным блоком между моментами замены полотен, не превышает 0,5 мм.
Регулируя распорными элементами 30 (разлучками) промежутки между пильными модулями 11 из пиловочника (бревна), можно получать тес, половую доску, лафет или брус.
-0,3
-0,3
Принципиальная схема пильного блока позволяет вести его изготовление в габаритах и целевом назначении для выпуска паркетной доски толщиной 16 мм и ламели толщиной 8,0 мм. При этом их толщины могут быть изменены в зависимости от потребностей рынка.
Разработанный механизм подачи станка снабжен устройствами для дозированной подачи жидкости (ПАВ) в каждый пропил, что является актуальным при обработке смолосодержащих пород древесины, например, таких как лиственница. Одновременно, в процессе работы, обеспечивается целевой продув каждого пропила сжатым воздухом с целью своевременного удаления опилок из зоны резания (перед пильными полотнами).
Предлагаемое устройство для распиловки может найти применение во всех отраслях, где требуется распиливание твердых материалов. Наиболее перспективно использовать его для распиловки древесины в качестве станка второго ряда. При этом устройство (станок или его отдельный пильный блок) обеспечивает энергосбережение при распиловке, является экономичным при изготовлении (обладает малой металлоемкостью), а также удобно для использования в труднодоступных районах при малом автономном энергоснабжении.