Влияние качества изготовления пильных цепей на энергетическую эффективность процесса пиления

УДК 621.934 И.В. Григорьев, В.А. Иванов,

Н.Н. Вернер, Ю.М. Елизаров, Ю.Н. Чуднов

ВЛИЯНИЕ КАЧЕСТВА ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПИЛЬНЫХ ЦЕПЕЙ НА ЭНЕРГЕТИЧЕСКУЮ ЭФФЕКТИВНОСТЬ

ПРОЦЕССА ПИЛЕНИЯ

В статье представлен анализ кинетостатики пильной цепи в процессе работы и определены основные моменты влияния точности изготовления пильных цепей на энергетическую эффективность процесса пиления.

Ключевые слова: пильные цепи, надежность пильных цепей, пиление древесины, энергетическая эффективность.

I.V. Grigoryev, V.A. Ivanov, N.N. Verner, Yu.M. Elizarov, Yu.N. Chudnov

INFLUENCE OF SAW CHAIN MANUFACTURE QUALITY ON THE SAWING PROCESS POWER EFFICIENCY

The analysis of saw chain kinematics in work is given and the basic moments of saw chain manufacture accuracy influence on the sawing process power efficiency are determined in the article.

Key words: saw chains, saw chain reliability, sawing of wood, power efficiency.

В последние годы опубликовано большое число учебно-методических и научных работ, всесторонне рассматривающих вопросы управления качеством, как на общетеоретическом уровне, так и для конкретных отраслей народного хозяйства - промышленности, торговли, финансов, медицины, образования, научных исследований и т.д.

С точки зрения лесозаготовительных машин, оснащенных пильными цепными устройствами, основными параметрами качества будут являться надежность и энергетические показатели процесса пиления, зависящие от конструктивных параметров пильных цепей и точности их изготовления.

К настоящему времени разработана и проходит апробацию методика определения топливной экономичности бензиномоторных пил [1], разработанная как часть общей методики оценки и повышения энергетической эффективности лесопромышленного комплекса [2].

Экспериментальные исследования по рассматриваемой проблеме проводились на оригинальном стенде [3] по методике, представленной в работе [4]. Результаты экспериментальных исследований влияния параметров изготовления и эксплуатации пильных цепей представлены в работе [5-7]. Их анализ позволил получить следующие данные.

При пилении древесины зубцы пильной цепи в пропиле отклоняются от нормального положения, которое они занимают не контактируя с древесиной, то есть цепь работает с нарушением устойчивости в трех взаимоперпендикулярных плоскостях. При этом линия расположения центров шарниров участка цепи, находящегося в пропиле, не является параллельной линии профиля направляющей шины, и передние по ходу движения части режущих зубцов, отклоняясь от шины, ухудшают продольную и поперечную устойчивость цепи в плоскости пропила.

В продольной плоскости пропила (рис. 1) при вхождении зубца в пропил горизонтальная РГ и вертикальная РВ составляющие силы сопротивления резанию на горизонтальной режущей кромке зубца поворачивают зубец на угол е относительно точки О контакта ограничителя подачи с дном пропила. Толщина снимаемой стружки h меньше высоты превышения ограничителя подачи над режущей кромкой то. По мере прохождения рассматриваемого зубца по высоте пропила в пропил входит следующий зубец. Сила сопротивления резанию на этом зубце увеличивает усилия ТА и Х'в на шарнирах первого зубца по ходу движения. Это приводит к возрастанию момента поворота на первом зубце относительно точки О из повернутого состояния в исходное (нормальное). Зубец, возвращаясь в исходное положение, заглубляет горизонтальную режущую кромку в древесину, что приводит к увеличению толщины снимаемой стружки /г' = /г + А. Возросшие при этом составляющие силы сопротивления резанию Р£ и Рр уравновешивают момент от тяго-

вых усилий 1'А и Тв . Угол поворота зубца уменьшится на величину 5 и составит - Е, - 8.

Рис. 1. Положение зубцов универсальной пильной цепи и схема действующих сил в продольной плоскости пропила

По ходу движения по длине пропила поворот первого зубца в исходное положение (£=0) будет происходить по мере вступления в пропил последующих зубцов до тех пор, пока толщина снимаемой этим зубцом стружки Л не станет равной высоте превышения ограничителя подачи над режущей кромкой то. При этом момент поворота зубца от тяговых усилий XА и 2В превышает момент от силы сопротивления резанию при толщине снимаемой стружки Л= то. Это показывает выражение:

И =

1 — віп2 £

где а - размер зубца, мм.

С уменьшением угла поворота зубца £ —» О толщина снимаемой стружки стремится к высоте ограничителя подачи /г —> то.

В поперечной плоскости пропила (рис. 2) зубец цепи также отклоняется от нормального положения. В процессе пиления острой цепью зубец вертикальным участком режущей кромки врезается в стенку пропила и заглубляется в древесину. Вследствие этого происходит перекос вместе с блоком цепи в поперечной плоскости пропила на угол ф. При этом боковые поверхности хвостовика цепи соприкасаются с боковыми поверхностями паза направляющей шины, что приводит к дополнительным затратам энергии на трение хвостовика в пазу пильной шины и их ускоренному износу.

Рис. 2. Положение зуба универсальной пильной цепи и схема действующих сил в поперечной плоскости пропила

В плоскости, параллельной опорной поверхности направляющей шины, продольная ось цепи является не прямой линией, а ломаной (рис. 3).

Горизонтальная составляющая Рр силы сопротивления резанию древесины на вертикальной режущей кромке стремится повернуть зубец вместе с блоком цепи на угол О. Этому повороту также способствует наличие угла скоса горизонтального участка режущей кромки у.

Если в начальный момент времени работы новой пильной цепью принять получаемую при этом ширину пропила за номинал, то в процессе пиления ширина пропила все время будет уменьшаться. Это можно объяснить тем, что с затуплением вертикальной режущей кромки зубец врезается в стенку пропила на меньшую глубину. Кроме того, в процессе работы цепи происходит износ сопряженных звеньев, а это приводит к увеличению зазоров между соединительными звеньями, что, в свою очередь, приводит к увеличению угла поворота О.

Рис. 3. Положение зубьев универсальной пильной цепи и схема действующих сил в плоскости параллельной направляющей пильной шины

Боковой зажим цепи в пропиле можно объяснить разной степенью затупления режущих кромок зубьев и изношенностью шарниров цепи. Вертикальный участок режущей кромки зубьев затупляется быстрее, чем горизонтальный. Это приводит к тому, что режущая кромка вертикального участка зуба прекращает резание древесины (формирование стенки пропила) и начинает происходить отжим зуба, что показано силой РбРі на рис. 2.

В это же время горизонтальный участок лезвия зуба еще продолжает резание и углубляет дно пропила. Отжим вертикального участка приводит к уменьшению ширины пропила и перекосу блока пильной цепи, что приводит к боковому зажиму блока цепи в пропиле и существенному увеличению потерь мощности на трение цепи о шину и древесину.

Как показали экспериментальные исследования [4], в процессе работы пильной цепи имеют место ступенчатое изменение нагрузки и ступенчатое возрастание нагрузки на шарнире цепи при его прохождении по высоте пропила Нпр [8]. Это явление объясняется вступлением в пропил все новых зубьев, которые увеличивают нагрузку на свои силы сопротивления резанию и силы трения. Различие возрастающих усилий объясняется дефектами изготовления пильной цепи [9] и анизотропией физико-механических свойств распиливаемой древесины (наличие сучьев, гнили, свилеватости и т.д.).

Изменение тягового усилия пильной цепи после выхода очередного зуба из пропила может иметь два случая [8]. В первом случае, когда высота пропила НПр кратна шагу цепи по зубьям 3 в момент выхода из пропила одного зуба одновременно в него входит другой зуб и изменения общего тягового усилия цепи не происходит. Однако такой случай встречается крайне редко.

В большинстве случаев высота пропила Нпр не кратна шагу цепи по зубьям 3 тогда в момент выхода очередного зуба из пропила общее тяговое усилие цепи падает на величину сил сопротивления этого зуба, основной частью которых является сила сопротивления резанию зуба:

™ 11й

РРг = кЫ3 — ,

^ р

где к - удельная работа резания, Н/м2; Ь - ширина пропила, м; и - скорость подачи, м/с; Ур - скорость резания, м/с.

Частота изменения тяговой нагрузки цепи за пропилом определится из выражения:

з

Из формулы (2), в частности, можно сделать вывод о том, что чем меньше шаг цепи и, тем меньше амплитуда изменения тяговой нагрузки цепи.

Из формулы (3) видно, что частота изменения тягового усилия цепи зависит от скорости резания и шага зубьев цепи - чем больше скорость резания и меньше шаг цепи, тем больше частота изменения усилия тягового усилия цепи.

Вместе с тем при больших скоростях резания перед лезвием зуба возникает эффект, аналогичный гидравлическому удару. Под воздействием удара стенки клеток древесины уплотняются и разрываются. Учитывая весьма малую сжимаемость жидкости, возникает явление, аналогичное увеличению твердости материала перед лезвием. При этом качество формируемой лезвием поверхности является невысоким в связи с тем, что волокна древесины разрушаются не только на лезвии, но и перед ним, причем, имеют место объемные, неупорядоченные разрушения.

Кроме этого, при высоких скоростях резания под воздействием сил трения лезвие сильно нагревается, что может приводить к мгновенному вскипанию жидкости в клетках, соприкасающихся с лезвием, что также будет способствовать неупорядоченным разрушениям структуры древесины и увеличению сил сопротивления резанию.

На работу цепи в процессе пиления и ее срок службы значительно влияет качество изготовления пильных цепей и, в частности, точность изготовления [9]. На стадии изготовления звенья цепи имеют высадку отверстия в нижних частях звена. Это объясняется тем, что пуассон, пробивая отверстие в заготовке, вырывает по окружности металл, тем самым уширяя кромку отверстия. При изготовления Г-образных зубцов, кроме этого, на стадии гибки заготовки имеет место неравномерный отгиб режущей кромки. На стадии изготовления осей появляются следующие дефекты: необеспечение соосности шеек и буртика оси, бочкообраз-ность буртика оси, несоблюдение размеров по диаметру и длине буртика оси.

Уширение кромок отверстий звеньев цепи приводит к уменьшению площадей контакта звеньев с осями, передающих тяговое усилие в цепи. Вследствие этого увеличиваются удельные нагрузки на контактные площадки, что ведет к интенсивному износу в месте контакта, к появлению зазора в шарнирном соединении, к перекосу звеньев.

Неравномерный отгиб кромки Г-образного зуба приводит к разновысотности зубцов по высоте и по ширине. Такие зубья в цепи в процессе пиления участвуют в неодинаковой степени, снимают неодинаковую по толщине и ширине стружку, что приводит к разной степени нагружения зубцов.

Необеспечение соосности шеек и буртика оси в собранной цепи приводит к двум недостаткам: в цепи могут иметь место участки с отклонениями по высоте горизонтальных режущих кромок, что приводит к неодинаковой загруженности зубьев, и в собранной цепи могут быть участки с отклонениями по шагу цепи. Это приводит к неравномерному зацеплению звездочек с цепью, дополнительным ударным нагрузкам на шарнирные соединения.

Бочкообразность буртика оси способствует преждевременному износу шарнирного соединения. В начальный период работы тяговое усилие цепи передается через небольшие контактные площадки буртика оси и отверстием направляющего эвена. В результате воздействия больших удельных давлений происходит смятие сопряженных поверхностей оси и отверстия со стороны приложения нагрузки и их интенсивный износ. Это приводит к увеличению площади оси и звена. В то же время, с другой стороны, противоположной приложению нагрузки, в шарнирном соединении появляется зазор. Этот зазор приводит к увеличению внутреннего шага цепи, т.е. к увеличению расстояния между осями направляющего звена. Происходит удлине-

ние цепи. Кроме этого, зазор в шарнире в сочетании с другими дефектами изготовления способствует перекосу блока цепи, тем самым снижая устойчивость цепи.

Несоблюдение размеров по диаметру и длине буртика оси приводит к двум вариантам плохой работы цепи. В первом, когда длина буртика превышает толщину направляющего звена, появляется зазор между боковыми и направляющими звеньями. Во втором, когда диаметр буртика оси меньше диаметра отверстия звена. В обоих вариантах наличие зазора приводит к потере устойчивости цепи в пропиле, к поперечному перекосу звеньев цепи в процессе пиления.

Литература

1. Методика определения топливной экономичности бензиномоторных пил / И.К. Александров, И.В. Григорьев, В.А. Иванов [и др.] // Вестн. КрасГАУ. - 2010. - № 2. - С. 112-118.

2. Александров И.К., Григорьев И.В., Жукова А.И. Оперативный метод оценки энергоэффективности машин и оборудования лесопромышленного комплекса // Леса России в XXI веке: мат-лы 3-й между-нар. науч.-практ. интернет-конф. - 2010. - № 1. - С. 229-235.

3. Пат. 74337 Российская Федерация. Стенд для сравнительных испытаний пильных цепей / И.И. Тихонов, И.В. Григорьев, Н.Н Вернер. Опубл. 27.06.2008. Бюл. № 18.

4. Экспериментальные исследования показателей надежности пильных цепей / И.В. Григорьев, И.И. Тихонов, Н.Н. Вернер [и др.] // Технология и оборудование лесопромышленного комплекса: меж-вуз. сб. науч. тр. - СПб.: ЛТА, 2о0в. - Вып. 2. - С. 18-35.

5. Влияние параметров пильных цепей на энергоэффективность / И.В. Григорьев, И.И. Тихонов, Н.Е. Высотин [и др.] // Дерево.ру. - 2010. - № 3. - С. 54-60.

6. Влияние высоты пропила на показатели процесса пиления / Н.Н. Вернер, А.В. Теппоев, В.С. Киселев [и др.] // Технология и оборудование лесопромышленного комплекса: межвуз. сб. науч. тр. - СПб.: ЛТА, 2009. - Вып. 4. - С. 61-66.

7. Вернер Н.Н., Елизаров Ю.М., Чуднов Ю.Н. Влияние снижения ограничителей подачи зубьев универсальных пильных цепей на показатели процесса пиления // Леса России в XXI веке: мат-лы 2-й меж-дунар. науч.-практ. интернет-конф. - 2010. - № 1. - С. 176-180.

8. Григорьев И.В., Тарабан М.В., Вернер Н.Н. Методика расчета трещиностойкости пильных цепей // Актуальные проблемы лесного комплекса: сб. науч. тр. - Брянск, 2007. - Вып. 20. - С. 91-94.

9. Григорьев И.В., Вернер Н.Н. Расчет надежности пильных цепей // Известия Санкт-Петербургской лесотехнической академии. - СПб.: ЛТА, 2008. - Вып. 185. - С. 100-109.