Обоснование рациональных параметров компенсационных прорезей в круглых дереворежущих пилах для улучшения их эксплуатационных свойств

Актуальность темы

Одной из важнейших задач современного деревообрабатывающего производства является повышение производительности круглопильных станков за счет улучшения эксплуатационных свойств дереворежущего инструмента и оптимального выбора режимов резания. Практика эксплуатации круглых пил показывает, что до 40% аварийного расхода пил, и до 50% брака продукции обусловлено недостаточной работоспособностью инструмента. Многочисленными экспериментальными и теоретическими исследованиями доказано, что основной причиной потери работоспособности круглых пил, оказываются температурные напряжения, вызванные неравномерным нагревом пильного диска.

В современной научной и производственной практике разработан и применяется ряд способов компенсации температурных напряжений, таких как применение более прочных материалов, более совершенных конструкций пил и пильных агрегатов. Среди них как наиболее эффективный и не требующий значительных материальных затрат выделяется способ создания компенсационных прорезей.

Опыт эксплуатации показывает: создание прорезей снижает влияние температурных воздействий, в смысле повышения устойчивости плоской формы равновесия про до л ьных^ пил. Однако конструкция прорезей выбирается интуитивно, а обоснованность той или иной формы разрезов, как правило, доказывается экспериментальными методами. При этом следует отметить, что критерий оценки эффективности прорезей сам по себе не имеет достаточного обоснования. Поэтому в ряде случаев используются оценочные показатели, не связанные напрямую с возникающими в пиле напряжениями. Характер распределения напряжений их величина, как правило, остаются неустановленными. Отсутствие знаний о напряженном состоянии затрудняет выбор оптимальных параметров прорезей, обеспечивающих не только компенсацию температурного влияния, но и не снижающих прочностные показатели пильного диска.

Создание компенсационных прорезей в круглых пилах с рациональными размерами и формой способствует повышению качества обработки древесины и снижению затрат на подготовку и эксплуатацию пил в станках.

Цель работы — повышение эффективности эксплуатации круглых дереворежущих пил на основе совершенствования параметров компенсационных прорезей с учетом условий распиловки древесины и требований к качеству подготовки пил. В соответствии с поставленной целью определены следующие задачи исследований:

— выполнить анализ отказов пил и установить причины их возникновения;

— произвести анализ факторов способствующих переходу инструмента в аварийное состояние;

— исследовать и уточнить характер распределения напряжений с учетом конструктивных элементов типа прорезей;

— изучить основные закономерности развития повреждений при наличии в опасных зонах растягивающих напряжений;

— определить показатели трещиностойкости материала пил при статических и циклических нагрузках;

— произвести расчет коэффициентов интенсивности напряжений;

— разработать рекомендации по выбору рациональных параметров прорезей;

— обеспечить внедрение результатов в практику деревообработки.

Решение этих задач проводилось в соответствии с темой «Разработка путей повышения эксплуатационных свойств дереворежущих пил» (шифр 97−23−4.1−1), выполняемой по фундаментальным исследованиям в области проблем лесного комплекса, а также в соответствии с планом научно-исследовательских работ АГТУ (г. Архангельск).

Объекты и методы исследования. Объектом исследований являются круглые дереворежущие пилы с компенсационными прорезями. Для решения поставленных задач применялись следующие методы: теории резания древесинымеханики разрушениятеории упругостиметод конечных элементовметоды исследования механических характеристик сталей, используемых для изготовления круглых пил.

Научная новизна работы.

1. Уточнены существовавшие ранее представления о напряженном состоянии дисков пил с конструктивными особенностями и получены новые результаты о влиянии прорезей в дисках в зависимости от различных параметров, характеризующих качество инструмента, технологический процесс пиления.

2. Выявлены основные закономерности перехода пил в неработоспособное состояние. Уточнены представления о роли отдельных факторов, способствующих возникновению отказа.

3. Установлены закономерности развития повреждений в зависимости от формы, места расположения и геометрических размеров прорезей.

4. Получены новые значения механических характеристик материала пил, определяющие его способность сопротивляться развитию трещин при статических и динамических нагрузках.

Научные положения, выносимые на защиту:

1. Методика расчета напряженно-деформированного состояния пил с компенсационными прорезями, расчета коэффициентов интенсивности напряжений, ресурса работы пил.

2. Методика оценки работоспособности пил с прорезями, основанная на принципах существования начальных дефектов типа трещин.

3. Параметры статической и циклической вязкости разрушения пил.

4. Способ увеличения ресурса работы круглых пил при поперечной распиловке древесины.

Обоснованность и достоверность научных положений выводов и рекомендаций подтверждается практикой эксплуатации пил. Научные положения основаны на корректных допущениях, не противоречат фундаментальным принципам теории упругости и механики разрушения, результатам ранее выполненных в этой области исследований. При проведении расчетов использованы современные средства вычислений. Достоверность экспериментальных исследований подтверждается общепринятыми значениями показателей статистической обработки результатов и соответствием испытательного оборудования нормативно-технической документации.

Значимость для теории и практики. Разработанные методики определения напряженно-деформированного состояния круглых дереворежущих пил с компенсационными прорезями и оценки их работоспособности дополняют теорию расчета круглых пил с компенсационными прорезями и являются базой для их дальнейшего совершенствования. Использование теоретических разработок и результатов исследований позволит обоснованно производить разработку норм расхода инструмента, режимов подготовки и эксплуатации пил. В практике расчета работоспособности пил могут быть использованы принципы расчета напряжений, скорости развития дефектов, а также значения вязкости разрушения инструментальной стали.

Результаты работы использованы ОАО «Научдревпром-ЦНИИМОД» при разработке инструмента для делительного станка ЦД-150.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены и одобрены на научно-технических конференциях, в том числе на 14th International Wood Machining Seminar (IWMS/14 Франция, 1999 г.), Международной конференции «Математическое моделирование в механике деформируемых тел. Методы граничных и конечных элементов» г. Санкт-Петербург, 1998 г.), научно-практической конференции «Научно-техническая политика и развитие новых отраслей экономики Архангельской области» (г. Архангельск, 1998 г.).

Публикации. По материалам диссертации опубликованы девять печатных работ.

Аннотация.

Анализ работоспособности пил большого диаметра (1000 мм и более), предназначенных для поперечной распиловки бревен, показывает, что их расход обусловленный разного рода разрушениями в ряде случаев значительно превышают нормальный, обусловленный затуплением режущих граней.

Для пил продольного пиления (малого диаметра до 500 мм) наряду с отмеченным видом потери работоспособности, характерным является снижение изгибной жесткости пильного диска. В результате происходит выход параметров точности и качества пиления за область допустимых значений и состояние пилы расценивается как неработоспособное.

Отмеченные отказы являются следствием обширного комплекса причин, имеющих тесные взаимосвязи. В них можно выделить две основные группы. Первую составляют факторы, связанные с изготовлением и подготовкой инструмента к работе. Влияние этих факторов может быть значительно снижено повышением культуры производства на всех стадиях. Вторая группа причин определяется режимами пиления. Анализ причин этой группы представляется наиболее сложным и в тоже время представляет собой основу выбора оптимальных режимных параметров, удовлетворяющих требованиям точности и качества пиления, производительности и надежности инструмента.

Анализ работ, посвященных решению проблем работоспособности инструмента Ф. М. Манжоса, П. С. Афанасьева, А. Э. Грубе, В. И. Санева, Ю. М. Стахиева, А. А. Бершадского, показал, что к настоящему времени систематическую проработку получили вопросы анализа нагрузочных факторов, и степень их влияния на работоспособность пил. Они составляют в настоящее время основу нормативных документов по изготовлению, подготовке и эксплуатации дисковых пил.

К числу наиболее значимых воздействий на пилу относят силы сопротивления резанию, температурные воздействия и центробежные силы. Прочие факторы, определяющие работоспособность пилы, (устойчивость, колебания) имеют следственный характер внешних воздействий и начального состояния пильного диска.

Как при продольной распиловке древесины, так и при поперечной распиловке бревен нагрев пил является фактором, в значительной мере определяющим их работоспособность.

Для пил с характерным возрастанием температуры периферии диска опасность составляет ослабление периферийной зоны пилы вплоть до потери плоской формы равновесия.

В случае смещения экстремумов температуры во внутреннюю зону пильного диска происходит растяжение зубчатой кромки, что способствует возникновению актов разрушения.

Отмеченные обстоятельства определили необходимость разработки мер, направленных на нейтрализацию температурного фактора, таких как применение более прочных материалов, более совершенных конструкций пил и пильных агрегатов. Среди них как наиболее эффективный и не требующий значительных материальных затрат выделяется способ создания компенсационных прорезей.

В настоящее время выбор формы, места расположения и размеров прорезей производится методом пробных экспериментов. При этом влияние их на распределение напряжений, прочность, устойчивость и колебания из рассмотрения исключается. А создание прорезей, соответствующих конкретным условиям пиления, не имеет должного обоснования.

Отсутствие представления о характере распределения напряжений в диске при наличии прорезей затрудняет выбор режимов пиления, оптимальных параметров конструкции пилы.

При любом подходе к решению указанной проблемы основой ее решения остается задача оценки прочности.

Исходя из предпосылок о наличии начальных дефектов и возможности их распространения, задача исследования процесса разрушения и на этой основе оценки состояния пилы с прорезями потребовала решения следующих вопросов: исследование коэффициентов интенсивности напряжений на фронте трещиныисследование механической характеристики пильной стали, определяющей способность ее сопротивляться распространению трещин (вязкость разрушения) — изучение скорости развития трещины усталости и определение ресурса работы пилы в зависимости от различных расчетных параметров.

Для решения поставленных вопросов необходимо знание законов распределения напряжений в диске пилы с учетом конструктивных особенностей типа прорезей.

Анализ работ, посвященных исследованию напряжений в дисковых пилах, показывает, что ряд вопросов, связанных с учетом различных факторов требует дальнейшего развития, а отдельные результаты нуждаются в уточнении. На данном этапе представляется целесообразным для анализа напряженного состояния использовать численные методы. Наиболее эффективным в настоящее время является метод конечных элементов.

При этом не возникает необходимости вводить ограничения на геометрическую форму контура пилы, характера распределения нагрузок. Как недостаток метода можно отметить лишь необходимость подготовки больших массивов исходных данных. Однако эта сложность может быть в значительной мере преодолена при наличии возможности комбинации аналитических решений для сплошного диска с гладким внешним контуром и диска с конструктивными особенностями. При этом можно полагать так же, что концентрация напряжений не зависит от вида нагружения. Основываясь на ранее выполненных работах, в качестве основных нагрузочных факторов принимаются центробежные силы, силы резания, нагрев, поперечные колебания и деформации диска в случае перебазирования сырья. Полагая независимость отмеченных факторов, а также то, что материал вплоть до разрушения следует закону Гука, считаем справедливым применение принципа суперпозиции.

Рассмотреть напряженное состояние всех, предложенных к настоящему времени авторскими свидетельствами, конструкций пил с прорезями не представляется возможным. Однако с достаточной обоснованностью можно предположить, что создание принципиальных моделей позволяет произвести качественную оценку влияния конструктивных параметров прорезей на напряжения от действия отдельных нагрузочных факторов.

Таким образом, приведенные данные свидетельствуют о необходимости проведения исследований всего комплекса причин, способствующих переходу инструмента в аварийное состояние. Для выработки практических рекомендаций по предотвращению потери работоспособности, потери точности и качества пиления, путем обоснования эффективных параметров прорезей, соответствующих конкретным условиям пиления, требуется проведение целенаправленных теоретических и экспериментальных исследований.

Основу работы составляют исследования, направленные на выявление параметров прорезей позволяющих обеспечить эффективное снижение опасных напряжений, вызывающих образование и развитие повреждений и потерю устойчивости плоской формы равновесия.

Выполнение поставленной в таком плане работы потребовало решения таких задач как: исследование нагрузочных факторов, возникающих при пилении древесины (силы резания, центробежные силы, колебания низкой частоты и поперечные деформации, вызванные случайными воздействиями) — изучение и уточнение характера распределения напряжений с учетом конструктивных особенностей типа прорезейэкспериментальное определение вязкости разрушения сталей, применяемых для изготовления тонких круглых пил, необходимой для оценки прочности инструмента на стадии разрушениятеоретическое и экспериментальное исследование скорости развития трещин в дисках пил с прорезямиопределение ресурса работы пилразработка рекомендаций по выбору рациональных параметров прорезей, обеспечивающих не только эффективное снижение опасных напряжений, но не снижающих прочностные показатели пильных дисков.

Диссертация состоит из введения, семи разделов, выводов и списка литературы. Содержание работы изложено на 230 страницах машинописного текста, иллюстрировано 133 рисунками и 12 таблицами.

Список литературы

включает 89 наименований.

ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ.

1. В общем комплексе эксплуатационных воздействий на пилу, определяющим фактором возникновения отказа является неравномерный нагрев пильного диска.

2. Характер отказа пил в работе определяется положением зоны повышенных температур. Нагрев периферийной зоны диска, который характерен для продольных пил, приводит к потери устойчивости плоской формы равновесия.

3. При эксплуатационных условиях, соответствующих нормативной документации, действующие на пилу нагрузки невелики и не могут вызвать мгновенного разрушения пильного диска.

4. Переменная составляющая напряженного состояния в основном создается изгибными деформациями. Напряжения, вызванные силами резания и подачи сравнительно малы.

5. Создание прорезей в круглых дереворежущих пилах с параметрами, соответствующими конкретным условиям распиловки, является эффективным способом нейтрализации температурных воздействий.

6. Методы исследования напряжений в пиле с конструктивными элементами типа прорезей, основанные на решениях для сплошного гладкого диска, не обеспечивают получение адекватных оценок напряженного состояния и могут рассматриваться лишь как первое приближение.

7. Разработаны методы исследования напряженного состояния и принципиальные расчетные модели, позволяющие исследовать влияние конструктивных параметров прорезей на напряженное состояние пильного диска с применением численного моделирования.

8. Теоретические исследования напряженного состояния и сравнительный анализ различных конструкций компенсационных прорезей показали, что прорези, расположенные на периферии диска обеспечивают наибольшее снижение температурных напряжений.

9. Определены значения вязкости разрушения для тонких пил и подтверждена зависимость этого показателя от толщины образца. Установлено, что для пил толщиной в пределах 1н-1,5 мм могут быть использоу ваны значения вязкости разрушения кс = 103,2М77ам/1.

10. Экспериментально для тонких пил определены пороговые значеу ния вязкости разрушения (к[к = 18.8М/7" — м/2). В пилах продольного пиления в нормальных эксплуатационных условиях коэффициенты интенсивности напряжений не превосходят значений пороговых коэффициентов и условий развития повреждений в этих пилах не возникает.

11. Выработаны рекомендации по разработке конструкции пилы с пластинками из твердого сплава, для узла резания на делительном станке ЦД-150 (прил.4). Предложено для пилы диаметром 250 мм, толщиной 1,4 мм с числом зубьев — 24, выполнять шесть внешних радиальных прорезей длиной 20 мм.

12. В пилах для поперечной распиловки бревен потенциально опасными зонами в смысле развития трещины являются межзубовые впадины.

13. Установлено, что прорези любой конструкции при любых условиях эксплуатации не могут полностью исключить возникновение температурных напряжений. Однако при соответствующем выборе параметров прорезей температурные напряжения могут быть уменьшены так, что работоспособность пилы окажется обеспеченной.

14. Установлено, что создание узких кольцевых прорезей и радиальных прорезей малой длины не оказывает существенного влияния на значения частот собственных колебаний при отсутствии внешних воздействий.

Отличие от значений частот собственных колебаний сплошного диска не превышает 5%.

15. Установлены зависимости ресурса работы поперечных пил от конструктивных параметров прорезей и технологических параметров пиления.

16. Разработан способ повышения ресурса работы пил, предназначенных для поперечной распиловки бревен путем создания компенсационных прорезей. Определены и обоснованы эффективные конструктивные параметры прорезей. Рекомендуется в пилах диаметром 1500 мм использовать четыре внешние радиальные прорези длиной 200 мм.

17. Ожидаемый экономических эффект в случае использования разработанных рекомендаций на Архангельском целлюлозно-бумажном комбинате составит 1 млн. 243,7 руб в год в ценах на 1 января 2000 года.