Экспериментальные исследования точности пиления древесины круглыми пилами с применением электромагнитных направляющих

ДЕРЕВООБРАБОТКА И ХИМИЧЕСКИЕ ТЕХНОЛОГИИ

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ТОЧНОСТИ ПИЛЕНИЯ ДРЕВЕСИНЫ КРУГЛЫМИ ПИЛАМИ С ПРИМЕНЕНИЕМ

электромагнитных направляющих

Е.Ю. КУЗНЕЦОВ, асп. каф. д/о производств Поволжского ГТУ,

А.С. ТОРОПОВ, д-р техн. наук, проф. каф. д/о производств Поволжского ГТУ,

Е.С. ШАРАПОВ, канд. техн. наук, доц. каф. д/о производств Поволжского ГТУ

Цель исследований - определение точности пиления древесины круглыми пилами с применением электромагнитных направляющих.

Решаемые задачи: проведение экспериментальных исследований точности пиления древесины круглыми пилами с применением электромагнитных направляющих; проверка теоретических исследований точности пиления древесины круглыми пилами с применением электромагнитных направляющих; оценка эффективности электромагнитных направляющих по сравнению с пилением древесины круглыми пилами без направляющих.

Исследователями установлено, что точность пиления древесины на лесопильных станках, зависит от сил, действующих на пилу в процессе пиления (радиальной P и боковой Q силы резания), и способности пилы противодействовать этим силам - жесткости j и устойчивости Pkp [1].

Точность пиления древесины можно характеризовать максимальным отклонением пилы w [2].

Максимальное отклонение зубчатой кромки пилы при пилении, м

w = g

"max / у

/ И—

Jh ркр

\ rr J

где Q - боковая сила резания, Н;

Q = Pr tg9; 9 - угол между продольной осью станка и радиальной силой резания, град;

jH - начальная жесткость круглой пилы, М Н/м;

Pr - радиальная сила резания, Н;

Prkp - критическая радиальная сила резания, при достижении которой пила теряет устойчивость, Н.

mzeu@mail.ru, sharapov_evgeniy@mail.ru

Одной из вероятных причин возникновения боковой силы резания Q является непараллельность направления подачи продольной оси станка из-за неточности монтажа подающего устройства.

Все факторы, влияющие на точность пиления древесины, подразделяем на контролируемые, управляемые и выходные.

Контролируемые независимые факторы: порода древесины - сосна; влажность древесины, W = 6,5 %; длина выпиливаемых образцов, l = 1,5 м; угол между продольной осью станка и равнодействующей радиальной силы резания, 9 = 1°; параметры круглой пилы - тип 1, исполнение 1, число зубьев z = 48, диаметр зажимных фланцев dф = 120 мм, остальные параметры в соответствии с ГОСТ 980-80 [3]; скорость резания, v = 40 м/c; величина выставки электромагнита относительно плоскости пилы, х = 6,0 мм.

Управляемые независимые факторы: высота пропила, h; скорость подачи распиливаемого материала и толщина пилы, s.

Выходные факторы - отклонение пилы в процессе пиления древесины, w; работа резания, Арез; частота вращения пилы, п.

По результатам теоретических исследований [4, 5] выявлено, что поверхность отклика описывается с достаточной точностью полиномом не выше второго порядка, поэтому для факторного планирования эксперимента нами был выбран план типа Bk.

Общее количество опытов плана Bk определяется по формуле [6]

N = 2k+2k,

оп 7

где k - число факторов.

При k =3, общее количество опытов N = 14. Уровни варьирования факторов приведены в табл. 1.

54

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 2/2014

ДЕРЕВООБРАБОТКА И ХИМИЧЕСКИЕ ТЕХНОЛОГИИ

Таблица 1

Уровни варьирования факторов

Факторы Размерность Нижний уровень Основной уровень Верхний уровень Шаг варьирования

Высота пропила, h м 0,02 0,03 0,04 0,01

Скорость подачи, и м/мин 2 3 4 1

Толщина пилы, s м 0,022 0,026 0,03 0,004

Экспериментальная установка для исследования точности пиления древесины круглыми пилами с применением электромагнитной направляющей представлена на рис. 1,а. На рис. 1,б представлена ее структурная схема.

Экспериментальная установка включает: 1 - автоподатчик JET M12-2351MG (и =1-12 м/мин); 2 - электромагнит ДКМ-020, 3 - плоская круглая пила, D = 0.56; 4 - индуктивный датчик положения круглой пилы ИДА28-Ц-РКР; 5 - индуктивный датчик скорости вращения круглой пилы ИДА28-U-PNP, 6 - трехфазный асинхронный электродвигатель FFD WIEN (n = 1450 об/мин, P = 3 кВт); 7 - направляющая линейка; 8 - блок управления электромагнитной направляющей; 9 - устройство для измерения мощности ЦП8506-120; 10 -устройство сбора данных E14-140-M; 11-ЭВМ.

С целью проверки эффективности электромагнитной направляющей были проведены опытные распиловки без применения и с применением электромагнитной направляющей.

Порядок проведения исследований: на экспериментальную установку в соответствии с методикой проведения эксперимента устанавливается круглая пила, заготовка для распиловки, на подающем устройстве задается скорость подачи. Включается электродвигатель и все измерительные устройства, осуществляется подача заготовки к пиле по направляющей линейке, установленной под углом 9 (рис. 1,б) к плоскости пилы. Под действием радиальной силы Pr образуется боковая сила Q, которая приводит к отклонению пилы в древесине на величину w. В процессе пиления измеряется отклонение w и скорость вращения пилы n, мощность, потребляемая электродвигателем. В случае применения электромагнитной направляющей осущест-

вляется регулирование положения полотна пилы электромагнитными силами, возникающими в воздушном зазоре между пилой 3 и электромагнитом 2 автоматически в зависимости от величины ее отклонения с помощью блока управления 8. При этом электромагнитным полем создается сила F, равная по величине и противоположная по направлению боковой силе Q [7].

Отклонение пилы измеряется с помощью индуктивного датчика положения 4, установленного относительно полотна пилы 3 с противоположной стороны от электромагнита 2. Мощность, потребляемая электродвигателем, измеряется с помощью цифрового устройства для измерения мощности 9, включенного в сеть питания электродвигателя 6 установки. Частота вращения пилы измеряется с помощью индуктивного датчика скорости вращения 5. Сигнал с датчика вращения через устройство сбора данных 10 поступает на ЭВМ.

В качестве показателя, характеризующего отклонение пилы, была принята величина ее среднеквадратического отклонения. Энергоемкость процесса характеризовалась величиной работы резания за процесс пиления заготовки.

Величина работы резания за процесс пиления заготовки определяется по формуле

т

Apes=tY.Npesb i=1

где t - частота дискретизации устройства, с;

N - мощность резания, Вт.

резг Г 5

Мощность резания определяется по формуле

N . = N. - N ,

где Nni - мощность, потребляемая электродвигателем, Вт;

Nx - мощность холостого хода, Вт.

Результаты экспериментов были обработаны с помощью программы Statistica 6.0.

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 2/2014

55

II II11lllllll llll llll

ДЕРЕВООБРАБОТКА И ХИМИЧЕСКИЕ ТЕХНОЛОГИИ

Рис. 1. Экспериментальная установка для исследования точности пиления древесины круглыми пилами с применением электромагнитной направляющей

Рис. 2. Поверхности отклика максимального отклонения пилы w относительно высоты пропи-

А max А

ла H и толщины пилы s без направляющей (а) и с направляющей (б), полученные экспериментально - 1 и теоретически - 2

Рис. 3. Поверхности отклика работы резания относительно высоты пропила H, толщины пилы s без направляющей - 1, с направляющей - 2

56

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 2/2014

ДЕРЕВООБРАБОТКА И ХИМИЧЕСКИЕ ТЕХНОЛОГИИ

Таблица 2

Результаты статистической обработки в программе Statgraphics Centurion

Параметр Уравнение регрессии

Отклонение пилы, м w = -0,95+ 0,019H + 0,5775 + 0,102 У - 0,000269НЛ2 - 0,000747Hs + + 0,000152НУ - 0,1075Л2 - 0,0252sy - 0,0062УЛ2

Отклонение пилы с направляющей, м w = 0,28- 0,009Н - 0,067s + 0,056 У + 0,00014H7 + 0,00067Hs --0,00086НУ - 0,00265Л2 + 0,0051sy - 0,0066 У7

Работа резания, Дж А = -507- 2,38Н + 429,5s - 15,5 У + 0,03НЛ2 + 0,82Hs -- 0,19НУ - 83,35Л2 + 0,46sy + 2,85 УЛ2

Работа резания с направляющей, Дж A = -364- 2,8Н + 250s + 50У + 0,03НЛ2 + 0,9Hs -- 0,16НУ - 44^2 - 8,24sy - 4,3 УЛ2

С помощью программы Statgraphics Сenturion построены уравнения регрессий исследуемых параметров (табл. 2).

С целью сравнения результатов теоретических и экспериментальных исследований в программе SigmaPlot 12.0 построены поверхности отклика максимального отклонения пилы относительно высоты пропила - Н и толщины пилы - s без электромагнитной направляющей (рис. 2,а) и с электромагнитной направляющей (рис 2,б), полученные экспериментально - 1 и теоретически - 2. Поверхности отклика отклонения пилы, полученные по результатам эксперимента, представлены величиной ее среднеквадратического отклонения. Поверхности отклика отклонения пилы, полученные теоретически, построены по результатам теоретических исследований точности пиления древесины круглыми пилами с применением электромагнитных направляющих [4].

В программе SigmaPlot 12.0 построены поверхности отклика работы резания относительно высоты пропила H и толщины пилы s без направляющей - 1 и с направляющей - 2 (рис. 3,а). На рис. 3,б. представлен график изменения скорости вращения пилы в экспериментах.

В результате исследований выявлено, что отклонение пилы возрастает с увеличением высоты пропила и уменьшается с увеличением толщины пилы, работа резания возрастает с увеличением высоты пропила и толщины пилы. Исследования показали, что применение электромагнитной направляющей позволило снизить отклонение пилы на 37 %, работу резания - на 17 %. Применение электромагнитной направляющей не оказывает влияния на изменение скорости вращения

пилы. Результаты теоретических исследований оказались заниженными по сравнению с экспериментальными из-за отсутствия в математической модели зависимостей, учитывающих изменение физико-механических свойств заготовок. Математическая модель точности пиления древесины круглыми пилами с применением электромагнитных направляющих может быть использована для определения параметров электромагнитных направляющих при их проектировании и применении в промышленности.

Библиографический список

1. Прокофьев, Г.Ф. Аналитический метод определения точности пиления древесины рамными и ленточными пилами / Г.Ф. Прокофьев // Изв. вузов Лесной журнал. - 2006. - № 6.

2. Банников, А.А. Повышение точности пиления древесины на делительных ленточнопильных станках: дисс. ... канд. техн. наук: 05.21.05 / А.А. Банников.- Архангельск, 2007.- 177 с.

3. ГОСТ 980-80. Пилы круглые плоские для распиловки древесины. Технические условия. - Введ. 01.01.82. - М.: Изд-во стандартов, 1999. - 26 с.

4. Торопов, А.С. Теоретические исследования точности пиления древесины круглыми пилами с применением электромагнитных направляющих / А.С. Торопов, Е.Ю.Кузнецов // Изв. Вузов. Лесн. Журн. - 2013. - № 3. - С. 86-96.

5. Кузнецов, Е.Ю. Обоснование параметров системы управления электромагнитной направляющей в круглопильных станках / Е.Ю. Кузнецов // Вестник МГУЛ - Лесной вестник. - № 3. - 2013. - С. 125-130

6. Пижурин, А.А. Исследования процессов деревообработки / А.А. Пижурин, М.С. Розенблит. - М.: Лесная пром-сть, 1984. - 232 с.

7. Пат. 94898 Российская Федерация МПК B 27 B 13/10. Отжимная электромагнитная направляющая круглой пилы / Шарапов Е.С., Кузнецов Е.Ю.; заявитель и патентообладатель Шарапов Е.С., Кузнецов Е.Ю. - № 2010107641/22 ; заявл. 02.03.2010 ; опубл. 10.06.2010.

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 2/2014

57