Повышение надежности технологической системы лесопиления ПО КРИТЕРИЮ «ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТЬ»

Новоселов В.Г., Агафонов О.Ю. (УГЛТУ, г.Екатеринбург, РФ) vgnov@usfeu.ru

INCREASE OF RELIABILITY OF TECHNOLOGICAL SYSTEM OF SAWING OF WOOD BY CRITERION "PRODUCTIVITY"

В соответствии с ГОСТ 27.004-85 [1] под технологической системой лесопиления понимается совокупность функционально взаимосвязанных средств технологического оснащения (лесопильное и околостаночное оборудование), предметов производства (обрабатываемые лесоматериалы) и исполнителей (станочников, помощников), выполняющих в регламентированных условиях производства заданную технологическую операцию – получение пиломатериалов из пиловочного сырья. Одним из важнейших критериев надежности технологической системы по ГОСТ 27.204-83 [2] является производительность. В качестве параметра принимается номинальная производительность - количество продукции изготовляемой в единицу времени. Например, для проходных станков она определяется по формуле [3]

где V_s – скорость подачи, м/мин; T – продолжительность периода, за который определяется производительность, мин; i – количество одновременно обрабатываемых деталей; K_п – коэффициент производительности станка; K_и – коэффициент использования станка; L – длина детали, м; i_п – число проходов для полной обработки одной детали.

Несмотря на массированную рекламу и экспансию на отечественном рынке лесопильного оборудования круглопильных и ленточнопильных станков, наиболее эффективными для массового производства пиломатериалов, как показано в работе [4], остаются лесопильные рамы. Основной их недостаток – высокую виброактивность – удалось устранить в полностью уравновешенных бесшатунных механизмах резания. Другим, технологическим, их недостатком остается относительно невысокая скорость подачи V_x в сравнении с конкурирующими типами оборудования, и, хотя приведенная к одной пиле производительность формообразования значительно выше, но большое время обработки одного бревна задает низкую ритмичность всего последующего технологического процесса. Рост скорости подачи возможен как за счет частоты вращения коренного вала n, так и величины посылки S₂_x, зависящей от максимально допустимой подачи на зуб пилы S_z

,	(1)
,	(2)

где H – ход пильной рамки, мм; t – шаг зубьев пилы, мм.

Частота вращения коренного вала ограничена прочностью и долговечностью деталей механизма резания, подверженных действию значительных инерционных нагрузок, возрастающих пропорционально квадрату скорости. Посылка же ограничивается целым рядом факторов.

Проведенные по методике [5] расчеты показали, что, например, для лесопильной рамы Р63-4 при распиловке бревен хвойных пород около 70% массива посылок ограничены работоспособностью впадины зуба, около 10% - сцеплением вальцов механизма подачи с древесиной и 15% – мощностью привода механизма резания, и только 5% – качеством обработки. При распиловке бруса массив допустимых посылок ограничивается качеством пиломатериалов примерно на 20%, работоспособностью впадин зубьев - на 30% и мощностью привода механизма резания - на 50%. Прочие факторы – прочность и устойчивость пил, мощность механизма подачи - при заданных условиях не наложили своих ограничений.

Следовательно, имеется резерв повышения надежности технологической системоы лесопиления по критерию «производительность» (скорость подачи) путем максимального приближения всего массива посылок к пределу, ограничиваемому качеством обработки. При этом необходимо производить проверку достаточности мощности привода механизма подачи, прочности пил и их устойчивости в пропиле. То есть, мы имеем оптимизационную задачу с целевой функцией и переменными, на которые наложены ограничения. Решение данной задачи известно, например в [6], где в качестве целевой функции принята производительность в м³и в качестве управляемых переменных процесса - толщина, шаг зубьев и жесткость при кручении пилы; длина пути резания резца в древесине; величина подачи на зуб пилы.

Несколько упростив и видоизменив задачу, примем в качестве целевой функции накопленную разность D между соответствующими элементами матрицы посылок по качеству S₂_x₁_j и матрицы расчетных посылок S₂_xpj – минимальных из посылок по всем критериям при заданных условиях распиловки (порода, состояние древесины, высота пропила, количество пил)

(3)

(4)

где S₂_xij – j- тый элемент матрицы посылок по i-тому критерию.

Учитывая поставленную задачу повышения производительности, снимем ограничения посылок, связанные с конструктивными факторами: мощностью приводов механизмов резания и подачи, сцеплением подающих вальцов с древесиной, которые могут быть повышены за счет применения более мощных двигателей, а также более глубокого рифления подающих вальцов и дополнительного их прижима. Оставим среди переменных целевой функции только факторы, определяемые непосредственно процессом резания: качество пиломатериалов, работоспособность впадин зубьев, прочность и устойчивость пил. В качестве управляемых переменных примем: шаг зубьев пил t, высоту пропила h, количество пил в поставе N.

Посылка по качеству пиломатериалов S₂_x₁_j определяется по формуле (2) при максимальной подаче на зуб по шероховатости поверхности S_z₁ = 2,0 мм (при R_z=1000 мкм).

Подача на зуб по работоспособности впадины зуба определяется по формуле

(5)

где t – шаг зубьев пилы; k – коэффициент, зависящий от соотношения высоты пропила h_max и хода пильной рамки H: при h_max < H-50 k=1,8; при h_max ³ H-50 k=3,6.Расчет посылки S₂_i₂_jтакже ведется аналогично по формуле (2).

Подача на зуб по прочности зубьев пил S_z₃ при распиловке хвойных пород составляет около 2,4 мм, что превышает подачу по качеству, то есть этот фактор не является ограничивающим посылку S₂_x₃_j.

Посылка по устойчивости пил определяется из соотношения

(6)

где F_x_max – максимальное значение силы отбоя, приходящееся на одну пилу. По данным исследований сил резания непосредственно на лесопильной раме Р63-4А [7] выведена зависимость

(7)

где N – количество пил в поставе.

F_кр – критическая сила по устойчивости плоской формы изгиба пилы в плоскости наибольшей жесткости [5]

(8)

где F₀ – натяжение полотна пилы; l₀ – свободная длина пилы; B – ширина полотна пилы без зубьев; C – крутильная жесткость пилы, , G – модуль сдвига, s – толщина пилы. Совместное решение (6) и (7) дает

(9)

Рисунок 1 – Расчетные посылки

Анализ расчетов по приведенным зависимостям показывает, что с увеличением шага зубьев с 18 до 40 мм посылка по качеству снижается обратно пропорционально, уменьшаясь примерно в 2,2, раза вне зависимости от высоты пропила. Посылка по работоспособности впадин зубьев увеличивается тем интенсивнее, чем меньше высота пропила. Посылка по устойчивости пил не зависит от шага зубьев и обратно пропорционально уменьшается с высотой пропила. На диаграмме (рисунок 1) показана зависимость расчетной посылки (4) от величины шага зубьев пилы и высоты пропила при совместных ограничениях, наложенных требованиями по шероховатости, работоспособности впадин зубьев и устойчивости пил.

Вычисление целевой функции (3) показало, что ее минимальное значение в рассмотренном диапазоне соответствует шагу зубьев 40 мм. При этом доля массива посылок ограничиваемых по качеству увеличилась на четверть, составив 25%. Аналогично до 38 % увеличилась доля посылок, назначаемых по работоспособности впадин зубьев пил. Остальные посылки лимитированы устойчивостью пил.

Приближение всего массива посылок к предельным значениям позволяет увеличить их расчетные технические значения в среднем на 10%, а на форсированных режимах - и до 40%.

Проведенными в УГЛТУ под руководством профессора Л.А.Шабалина исследованиями [7,8] обоснована возможность, разработаны соответствующие предложения и технические решения [9,10] осуществление которых, при незначительных конструктивных доработках, позволяет повысить частоту вращения коленчатого вала без ущерба для прочности основных деталей механизма резания еще на 10% (до n=310 мин^-1).

Таким образом, имеется реальный резерв повышения производительности лесопильной рамы в среднем на 20%. Это потребует увеличения мощности главного привода, ограниченной в настоящее время тяговой способностью ременной передачи. Ее рост возможен за счет изменения схемы привода согласно авторскому свидетельству [10]. Оно предполагает передачу вращения на коренной вал по параллельным потокам: через два выходных конца вала двигателя два шкива и два комплекта приводных ремней. Это позволит повысить передаваемую мощность до 2 раз и улучшить синхронизацию вращения маховиков коренного вала, разгрузив его от действия вращающего момента. Аналогичное решение может быть принято и для двухэтажных лесопильных рам.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. ГОСТ 27.004-85 Надежность в технике. Системы технологические. Термины и определения. [Текст]. Взамен ГОСТ 22954-78; введ. 1986-07-01. М.: Госстандарт России: изд-во стандартов, 2002. 18 с.

2. ГОСТ 27.204-83. Надежность в технике. Технологические системы. Технические требования к методам оценки надежности по параметрам производительности. [Текст]. Введ. 1985-01-01. М.: Изд-во стандартов, 1984. 37 с.

3. Глебов И.Т. Справочник по резанию древесины. Учебное пособие/ И.Т.Глебов, В.Г.Новоселов, Л.Г. Швамм. [Текст]. - Екатеринбург: РИО УГЛТА, 1999. – 190 с.

4. Новоселов В.Г. Совершенствование критерия оптимальности решений по выбору технологического оборудования/ В.Г.Новоселов, А.И.Кузнецов [Текст].- Деревообрабатывающая промышленность, 2006, №4, С.5-7.

5. Технические предложения по повышению производительности лесопильной рамы Р63-4А.: Отчет о НИР (промежут.) / МВиССО РСФСР. УЛТИ; Руководитель Шабалин Л.А. – Шифр темы 26/81, № ГР 81036440. – Свердловск, 1982.

6. Пижурин А.А. Оптимизация технологических процессов деревообработки. – М.: Лесная пром-сть, 1975. -312 с.

7. Виноградов В.Ф., Шабалин Л.А., Сорокин В.И., Смирнов В.И.Силы резания в лесопильной раме Р63-4А /Экспресс-информация НИИМАШ. Деревообрабатывающее оборудование. 1980, №11.

8. Исследование напряженного состояния и нагруженности деталей лесопильной рамы Р63-4 с целью повышения ее надежности: Отчет о НИР (заключ.) / МВиССО РСФСР. УЛТИ; Руководитель Шабалин Л.А. – Шифр темы 14/76, № ГР 76028435. – Свердловск, 1980.

9. А.с.939183 СССР МКл³ В27В 3/12. Шатун лесопильной рамы/ Шабалин Л.А., Кучумов Е.Г., Новоселов В.Г., Виноградов В.Ф./СССР/. - Заявл.13.01.81; Опубл. 30.06.82, Бюл. № 2// Описание изобретения. – 2с.

10. А.с.№1391882 СССР МКл⁴ В27В 3/12. Привод лесопильной рамы/ Шабалин Л.А., Головачев А.П., Диев Л.В., Новоселов В.Г./СССР/. - Заявл.01.07.86; Опубл. 30.04.88, Бюл. № 16//Описание изобретения. – 3 с.