Совершенствование методов повышения жесткости и устойчивости рамных и ленточных пил

Перед лесопильной промышленностью стоит задача интенсификации переработки пиловочного сырья на лесопильном оборудовании, которая определяется повышением производительности лесопильных станков, выхода пиломатериалов, надежности работы режущего инструмента, улучшения качества пилопродукции. Основным ограничением производительности лесопильных рам и ленточнопильных станков является точность пиления. В первую очередь показатели точности пиления определяются параметрами жесткости и устойчивости технологической системы, то есть жесткостью станков и жесткостью и устойчивостью режущего инструмента. Жесткость и устойчивость рамных и ленточных пил могут рассматриваться совместно по следующим причинам: методика оценки точности пиления в зависимости от сил резания, жесткости и устойчивости пилы одинакова для рамного и ленточного пилениярамная и ленточная пилы в зоне резания представляют растянутую стальную полосу, на одной из кромок которой насечены зубья, поэтому методы расчета жесткости и устойчивости для рамной и ленточной пилы не имеют принципиальных различийсредства оценки жесткости и устойчивости рамных и ленточных пил одинаковы. Следует отметить, что реализация общих решений должна осуществляться с учетом особенностей конструкций узлов резания и подачи станковконструкций пил и условий их подготовки и эксплуатации.

Сведения о современном состоянии вопроса по влиянию отдельных факторов на напряженное состояние, жесткость и устойчивость ленточных и рамных пил содержат материалы исследований следующих авторов: А. Э. Грубе, Хасдан С. М., Р. В. Дерягин, Г. Ф. Прокофьев, А. Е. Феоктистов, И. П. Остроумов, А. А. Настенко, В. И. Юрьев, В. Д. Колобов, В. И. Веселков, A.M. Кузнецов, А. В. Брюквин, Е. Барц (Германия), Е. Байковский (Польша), Б. Тунелл (Швеция), Е. Вюстер (Австрия) и другие. Анализ научно-исследовательских работ и литературных источников показывает, что в решении вопросов эффективного использования ленточнопильных станков и рамных пил большое значение имеет правильная подготовка инструмента, составной частью которой является создание внутреннего напряженного состояния в полотне пилы. Благоприятно распределенные в полотне пилы внутренние напряжения повышают жесткость и устойчивость полосовых пил. Основным способом создания начального напряженного состояния в полотне пилы является вальцевание, то есть прокатка средней части полотна между вальцовочными роликами. За счет этого в средней части полотна возникают напряжения сжатия, а на кромках — напряжения растяжения. Существуют различные рекомендации по увеличению жесткости полосовых пил методом вальцевания. Кроме того, эффективным способом повышения жесткости и устойчивости рамных и ленточных пил является применение направляющих для пил, уменьшающих их свободную длину. Все это позволило сделать вывод об актуальности исследований влияния внутренних напряжений и условий их распределения в полотне пилы на жесткость и устойчивость полосовых пил с учетом таких внешних факторов, как эксцентриситет линии приложения растягивающей силы, действие нормальных и боковых составляющих силы резания, применение направляющих.

Цель работы — совершенствование методов повышения жесткости и устойчивости ленточных и рамных пил с учетом их начального напряженного состояния.

В соответствии с поставленной целью определены следующие основные задачи исследований:

1. Оценить влияние различных условий закрепления на расчетную начальную жесткость ленточных и рамных пилоценить погрешность применения существующих приближенных методов расчета начальной жесткости полосовых пилопределить оптимальный характер распределения внутренних напряжений в полотне пилы с точки зрения повышения жесткости и устойчивости полосовых пил.

2. Разработать методику расчета оптимального радиуса изгиба полосовой пилы для оценки начального напряженного состояния по величине световой щелиопределить допускаемые величины световой щели.

3. Разработать методику расчета критических напряжений, при которых происходит потеря устойчивости плоской формы равновесия полотна пилы и определить допускаемые напряжения в полотне пилы.

4. Разработать комплексную модель расчета жесткости полосовых пил, учитывающую установку направляющих, начальное напряженное состояниеналичие эксцентриситета силы натяжения пилырабочие нагрузки от сил резанияисследовать влияние величины отжима односторонних направляющих на жесткость ленточных пил в зависимости от режимов пиления.

5. Провести экспериментальные исследования для проверки основных теоретических положений, достоверности разработанных математических моделей.

Новизна исследований и научных результатов.

1. Проведен анализ влияния условий закрепления полотна пилы на расчетную жесткость полосовой пилыпроизведена оценка точности существующих приближенных методов расчета начальной жесткостиполучены расчетные зависимости начальной жесткости с учетом характера распределения начальных напряжений в полотне пилы.

2. Определен оптимальный характер распределения внутренних напряжений в поперечном сечении пилы с точки зрения повышения жесткости полотнатеоретически исследовано влияние ширины следа вальцевания, числа следов и эксцентриситета следов вальцевания на жесткость и устойчивость ленточных и рамных пилразработана методика расчета критических напряжений сжатия, при которых полотно пилы теряет устойчивость плоской формы равновесия.

3. Рассчитаны значения оптимальных радиусов изгиба полотен пил, при которых величина световой щели наибольшая. Обоснованы рекомендации по применению величины радиуса изгиба пилы в плоскости наименьшей жесткости для определения ее внутреннего напряженного состояния. Определены предельные значения величины световой щели и ее форма при изгибе пилы по оптимальному радиусу из условий сохранения плоской формы равновесия полотна.

4. Разработаны модели расчета жесткости полосовых пил при различных условиях закрепления полотна в плоскости наибольшей и наименьшей жесткостис учетом установки направляющих, эксцентриситета силы натяжения, внутреннего напряженного состояния, действия боковой и нормальной силы, распределенными по высоте пропила.

5. Получены расчетные зависимости величины выставки отжимных направляющих ленточных пил.

6. Разработан и научно обоснован жесткостной метод оценки начального напряженного состояния рамных пил при подготовке полотен пил.

Теоретические исследования выполнены с использованием теории стержней и тонких пластин, теории дифференциальных уравнений, метода конечных элементоврасчеты выполнялись с использованием программных комплексов MapleV 6, ANSYS у. 5.5.3 ED. ^.

Экспериментальные исследования для проверки достоверности разработанных математических моделей выполнены на специально созданных экспериментальных установках.

На защиту выносятся:

• Результаты теоретических и экспериментальных исследований жесткости и устойчивости ленточных и рамных пил с учетом их внутреннего напряженного состояния.

• Методики расчета собственной жесткости и устойчивости полосовых пил с учетом внутреннего напряженного состояния.

• Модель расчета жесткости полосовых пил при различных условиях закрепления полотна пилы в плоскости наибольшей и наименьшей жесткости с учетом установки направляющих, эксцентриситета силы натяжения, внутреннего напряженного состояния, действия распределенных боковой и нормальной силы.

Разработка и научное обоснование способа оценки начального напряженного состояния рамных пил, основанного на изменении, жесткости на кручение пильного полотна при создании в нем внутренних напряжений.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ.

1. На основании анализа результатов исследований и аналитических решений дифференциальных уравнений, описывающих црогибы полотна натянутой полосовой пилы, получены формулы для расчета прогиба пилы и начальной жесткости соответственно с учетом внутреннего напряженного состояния: а) для шарнирно-опертой на концах пилы Л.

Q-1.

4-N 1k-l.

Qb2-l.

16-C 1 1 2 p-l I к2.

4-N.

N E-I k-l b2-l.

16-C 2 p-l где.

CI = E’s3'bS, С = Nr2 + GId, p2 °.

С, б) для жестко защемленной на концах пилы.

Q-1.

4-N f.

1-v I-к.

4 Л Q-b2-l.

16-C.

1 — 4.

I’P.

J".

4-N 14 l-k b2-l.

16-C 1V l-p) и в упрощенном варианте, рекомендуемом для инженерных расчетов (погрешность применения этой формулы для реальных параметров ленточных и рамных пил не превышает 12%): 1.

3″ I.

Ъ2−1.

4-N 16-С.

2. Получены расчетные критерии, определяющие погрешность расчета при переходе от шарнирного опирания к жесткому защемлению, позволяющие решить вопрос о необходимости учета реальных условии закрепления при определении технологических параметров пиления:

2 E-IZ 2 = J——- рациональных.

С, 2.

E-s3-V 2.

144-(N-г +G-Id) I k-l V N I р-l М С I ]1.

3. На основе разработанных стержневых моделей произведена оценка погрешности существующих приближенных формул расчета [55] начальной жесткости, которая составляет не более 8,5% во всем диапазоне изменения параметров ленточных и рамных пил.

4. Установлено, что с точки зрения максимального повышения собственной жесткости пилы распределение внутренних напряжений в поперечном сечении полотна пилы должно быть описано законом при.

Ъ< < с.

2 2 с< <Ь при —.

Наличие остаточных напряжений, распределенных по данному закону, существенно повышает начальную жесткость ленточных пил (до 55%) — на начальную жесткость рамных пил оказывает не такое большое влияние (до 20%) — наибольший эффект от создания остаточных напряжений достигается при малых натяжениях (менее 5кН) и малых свободных длинах пил (менее 500 мм).

5. Получены расчетные критерии для определения жесткости от вальцевания при одном симметричном следе вальцевания.

С. =.

Ъ2 ' s • с 12 i=i b-c.

О" .

ГЪ2-с2 12 и при произвольном числе следов:

6. На основании анализа моделей при различных условиях закрепления установлено: при относительно малых свободных длинах (менее 500 мм) и силах натяжения (менее 5 кН) или при относительно большой толщине и ширине полотен полосовых пил различие в значениях начальной жесткости при защемлении концов пилы и их шарнирном опирании может достигать 20% и более.

7. Для рамных пил рекомендуется степень вальцевания оценивать измерением и последующим сравнением собственной жесткости на кручение невальцованной и вальцованной пилы. На основе этого разработан, научно обоснован и экспериментально проверен жесткостной способ оценки начального напряженного состояния рамных пил.

8. Разработана методика, позволяющая рассчитывать критические напряжения сжатия для любых геометрических размеров полотен пил и для любых режимов вальцеванияполучены значения предельных напряжений сжатия и напряжений растяжения в зависимости от ширины и толщины полотна пилы, ширины следа и числа следов вальцевания.

9. Установлено, что величина оптимального радиуса изгиба пилы, при котором величина световой щели принимает максимальное значение, не зависит от начального напряженного состояния (степени вальцевания) полотна пилы, величина оптимального радиуса зависит только от толщины и ширины пилы. Получены величины оптимальных радиусов для основных типоразмеров рамных и ленточных пил.

10.Рекомендовано контроль напряженного состояния полотна пилы производить при изгибе пилы по радиусу, равному или близкому к оптимальному, так как абсолютное значение стрелы прогиба при оптимальном радиусе изгиба пилы увеличивается, следовательно, уменьшается относительное влияние ошибок измерений, связанных с дефектами формы полотна пилы и погрешностями измерения. Рекомендуется принять радиус изгиба полотна i?=1500 для рамных пил, имеющих толщины 2,0. .2,5 мм и ширины полотен 100. 160 мм, ммдля делительных ленточных пил, имеющих толщины 1,0.1,2 мм и ширины полотен 100. 120 мм, рекомендуется принять радиус изгиба пилы i?=1750 ммдля ленточных пил, предназначенных для распиловки бревен и брусьев, имеющих толщины 1,6.2,0 мм и ширины полотен 160.200 мм, рекомендуется принять радиус изгиба пилы jR=2500 мм.

11.Разработана методика расчета формы и величины световой щели. Из анализа полученных решений следует, что форма световой щели при различных законах распределения внутренних напряжений различна. Получены предельно допустимые значения величины световой щели при изгибе полотен пил по оптимальному радиусу. Установлено, что предельная величина световой щели fnped при изгибе пилы по оптимальному радиусу не зависит от ширины следа вальцевания, от числа следов вальцевания, от смещения следов вальцевания, слабо зависит от ширины пилыа зависит только от толщины пилы при условии сохранения стпред=0,85акр для каждого конкретного вида распределения начальных напряжений.

12.Установлено, что с точки зрения повышения жесткости пилы и величины световой щели наиболее благоприятным является вальцевание по одному следу, при этом чем уже след и больше прикладываемое в процессе вальцевания усилие, тем больше приращение жесткости на кручение и величина световой щели при прочих равных условиях (при одинаковой площади эпюры сжимающих напряжений и одинаковой величине растягивающих напряжений на кромках пилы) — с точки зрения повышения устойчивости пилы наиболее благоприятным является вальцевание по нескольким следам, но число следов при этом ограничивается условиями жесткости полосовых пил.

13.С увеличением эксцентриситета следов вальцевания уменьшается приращение жесткости на кручение. Для ленточной пилы увеличение эксцентриситета следов вальцевания более 0,15 нецелесообразно с позиции достижения правильной формы [66] поперечного прогиба полотна с радиусом, равным радиусу шкивов.

14. Экспериментальная проверка величины оптимального радиуса изгиба пил в плоскости наименьшей жесткости на специально разработанной в АГТУ лабораторной установке подтвердила полученные расчетные данные.

15. Произведена оценка погрешности применения стержневой модели для расчета начальной жесткости полосовых пил. Применение стержневой модели при расчете статической жесткости с увеличением толщины полотна пилы, уменьшением расстояния межд^ направляющими, уменьшением силы натяжения, уменьшением ширины полотна и увеличением нормальной силы приводит к погрешности расчета до 50% и более. Кроме того, стержневая модель завышает влияние ширины пилы на ее начальную жесткость, в том числе и в случае распределенной боковой силы. Погрешность зависит от длины /, по которой распределена боковая сила Q, при этом наибольшая погрешность получается при сосредоточенной боковой силе. Влияние эксцентриситета силы натяжения и влияние вальцевания на жесткость полотна пилы оценивается примерно одинаково по стержневой и пластинчатой модели.

16.Установлено, что зависимость рабочей жесткости полосовых пил от нормальной составляющей силы резания имеет характер, близкий к линейному.

17.Расчеты показывают, что величина эксцентриситета силы натяжения, при котором достигается наибольшая рабочая жесткость пилы, не зависит от принятых в модели расчета условий закрепления и геометрических размеров полотна пилы, но зависит от степени вальцевания и нормальной составляющей силы резания. 18. Установлено, что до определенного предельного бокового отклонения упред жесткость ленточной пилы с отжимными направляющими при приложении боковой силы Q с разных сторон пилы не зависит от величины выставки направляющих Апредельная величина бокового отклонения пилы у д не зависит от режимов пиления, а зависит от величины выставки отжимных направляющих. Получена формула расчета величины выставки направляющих:

А =.

ГТ Л i .

Упред.

19.Рекомендована разработанная методика расчета требуемой величины выставки, А отжимных направляющих с учетом точности пиленияполученные результаты могут быть использованы при модернизации ленточнопильных станков с использованием отжимных направляющих и при расчете режимов пиления на ленточнопильных станках с ограничением по точности пиления.

20. Экспериментально проверены на специально разработанной в Севмашвтузе и АГТУ лабораторной установке основные положения разработанных математических моделей расчета жесткости полосовых пил с учетом начального напряженного состояния. Погрешность при сравнении теоретических и экспериментальных значений собственной жесткости рамных полотен пил не превышает 12%.