Лесопильное оборудование: основы прикладных научных исследований при создании новой техники


М. А. Блохин






ЛЕСОПИЛЬНОЕ ОБОРУДОВАНИЕ:
ОСНОВЫ ПРИКЛАДНЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ПРИ СОЗДАНИИ НОВОЙ ТЕХНИКИ




Рекомендовано в качестве учебного пособия для студентов, обучающихся по направлению «Технология деревообработки»



















Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2022

УДК 674.05:621.9
ББК 37.13
     Б70




Рецензент:
доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой компьютерных систем автоматизации производства МГТУ им. Н. Э. Баумана (г. Москва)
С. С. Гаврюшин




    Блохин, М. А.
Б70 Лесопильное оборудование: основы прикладных научных исследований при создании новой техники : учебное пособие / М. А. Блохин. -Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2022. - 144 с. : ил., табл.
           ISBN 978-5-9729-0968-1


     Приведено описание современных технологий и способов проектирования, а также представлены решения и расчёты конкретных конструкторско-технологических задач с целью создания и эффективной эксплуатации нового лесопильного оборудования повышенной производительности для обработки древесины и иных твёрдых материалов.
     Для студентов технических вузов направления подготовки 35.03.02 «Технология лесозаготовительных и деревоперерабатывающих производств». Может быть полезно для преподавателей и инженеров, а также разработчиков оборудования аналогичного функционального назначения с круговым поступательным движением полотен.


УДК 674.05:621.9
                                                           ББК 37.13











ISBN 978-5-9729-0968-1

     © Блохин М. А., 2022
     © Издательство «Инфра-Инженерия», 2022
                            © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2022

                СОДЕРЖАНИЕ





    ПРЕДИСЛОВИЕ..........................................6
    ГЛАВА 1. ОБОСНОВАНИЕ И АКТУАЛЬНОСТЬ СОЗДАНИЯ НОВОГО ЛЕСОПИЛЬНОГО ОБОРУДОВАНИЯ С КРУГОВЫМ ПОСТУПАТЕЛЬНЫМ ДВИЖЕНИЕМ ПИЛЬНЫХ ПОЛОТЕН................12
    1.1. Введение.......................................12
    1.2.   Схемное решение принципиально нового станка с круговым поступательным движением пильных полотен................17
    ГЛАВА 2. ПИЛЬНЫЙ БЛОК («КОЛЕНЧАТЫЙ» СТАНОК) С КРУГОВЫМ ПОСТУПАТЕЛЬНЫМ ДВИЖЕНИЕМ ПИЛЬНЫХ ПОЛОТЕН.................................................25
    2.1. История создания. Патентные исследования.......25
    2.2. Особенности конструкции пильного модуля........29
    2.3. Схемное решение многопильного блока............35
    ГЛАВА 3. РАСЧЁТ И ПРОЕКТИРОВАНИЕ ПИЛЬНОГО ПОЛОТНА........................................39
    3.1.   Методика определения рациональных соотношений углов заострения и шагов зубьев в зависимости от величины подачи на оборот..........39
    3.2.  Обеспечение самовыноса продуктов резания из зоны резания.46
    3.3.   Оценка влияния свойств пиловочного материала и специфики процесса распиловки на устойчивость рабочего движения пильных полотен.........................................48
    3.3.1. Продув пропилов сжатым воздухом..............49
    3.3.2.   Расчёт выноса стружки из пропила подачей сжатого воздуха в зону резания..........................................50
    3.3.3.   Обоснование и проектирование дифференцированного эксцентриситета натяжения полотна..................................52
3.3.4.   Особенности изменения динамических характеристик пильного полотна при дифференцированном эксцентриситете его растяжения......54
    ГЛАВА 4. ОЦЕНКА ПРОЧНОСТИ И РАСЧЁТ ДОЛГОВЕЧНОСТИ ПОЛОСОВЫХ ПИЛЬНЫХ ПОЛОТЕН ПРИ УСЛОВИИ
ИХ КРУГОВОГО ПОСТУПАТЕЛЬНОГО ДВИЖЕНИЯ..............................57
    4.1. Аналитический расчёт прочности полотна....................57

3

    4.2. Геометрические параметры выбранного пильного полотна......60
    4.3. Расчёт запаса усталостной прочности пильного полотна...62
    4.4. Условия работы и износа пильных полотен................63
    ГЛАВА 5. ОБОСНОВАНИЕ И РАСЧЁТ РЕЖИМА ОБЕСПЕЧЕНИЯ ОБРАТНОЙ ОТРИЦАТЕЛЬНОЙ СВЯЗИ В УСЛОВИЯХ РАБОЧЕГО ДВИЖЕНИЯ ПОЛОСОВЫХ ПИЛЬНЫХ ПОЛОТЕН..............................66
    5.1. Об актуальности темы...................................66
    5.2.    Схемное решение многопильного блока с круговым поступательным движением пильных полотен.......................................69
    5.3. Аналитическое решение статической устойчивости полотна.72
    ГЛАВА 6. ОПТИМИЗАЦИЯ ВЕЛИЧИНЫ КОРРЕКТИРУЮЩИХ МАСС, ОБЕСПЕЧИВАЮЩИХ ДИНАМИЧЕСКУЮ УСТОЙЧИВОСТЬ ПОЛОТЕН ПИЛЬНОГО МОДУЛЯ.........................................78
    6.1. Анализ инерционных сил пильного модуля....................78
    6.2. Решение задачи универсальной корректирующей массы......84
    ГЛАВА 7. ВЛИЯНИЕ УСЛОВИЙ НАТЯЖЕНИЯ ПОЛОТНА
И КРЕПЛЕНИЯ ШАРНИРНЫХ УЗЛОВ ПИЛЬНОГО МОДУЛЯ НА СПЕКТР ЧАСТОТ КОЛЕБАНИЙ ПОЛОТЕН..............................93
    7.1.    Динамическое поведение пильных полотен на основе модели пластины.................................................93
    7.2.    Особенности влияния условий растяжения на распределение напряжений в полотне и его частотные характеристики.............98
    7.3.    Влияние условий крепления шарнирных узлов пильного модуля на спектр частот колебаний полотен..............................99
    7.4.   Иные причины возникновения колебаний полотен........101
    7.4.1.   Оценка зависимости биения шарнирных узлов пильного модуля от величины углового перемещения (прогиба) валов пильного блока....102
7.4.2.   Оценка зависимости биения шарнирных узлов пильного модуля от элементов крепления и фиксации пильных полотен..............104
    ГЛАВА 8. ПРОЕКТИРОВАНИЕ УПРУГИХ ЭЛЕМЕНТОВ, ОБЕСПЕЧИВАЮЩИХ ЗАДАННОЕ УСИЛИЕ НАТЯЖЕНИЯ ПИЛЬНЫХ ПОЛОТЕН................................................107
    8.1. Постановка задачи. Решение. Конструкция упругого элемента.107
8.2.    Метрологический анализ и расчёт компенсационных зазоров узла натяжения пильного полотна.....................................116

4

    8.3.    Обеспечение требуемых усилий натяжения полотен в пильном блоке................................................121
    8.4. Особенности технологии изготовления упругого элемента.123
    ГЛАВА 9. ЗАКЛЮЧЕНИЕ........................................126
    9.1. Основные результаты исследований и работ..............126
    9.1.1. Автоматизированное натяжение полотен................133
    9.1.2. Схема станка «Триумф» с подающим рольгангом.........134
    9.1.3. Обеспечение прямолинейности движения заготовок......134
    9.1.4. Испытания и результаты..............................135
    9.2.    Принципиальные отличительные характеристики станка модели М2005    137
    9.3.    Основные сравнительные технические характеристики моделей М2005, Р63-4Б, РМ-50........................................139
    9.4.    Стоимость изготовления многопильного станка «Триумф» усовершенствованной модели М2005 по состоянию на 21.03.2016 г. в единичном производстве....................................140
    БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК................................141

5

                ПРЕДИСЛОВИЕ





    В условиях рыночной экономики конкурентная борьба за потребителей требует от предприятий постоянного обновления выпускаемой продукции, повышения её качества, максимального удовлетворения пожеланий заказчиков, для чего необходимо сокращать сроки и стоимость инженерной подготовки производства, качественно совершенствовать разрабатываемые проекты.
    Возможны два пути развития производства - экстенсивный и интенсивный. Первый из них предусматривает наращивание объёмов производства при применении сложившихся технологий, оборудования, приёмов и способов организации производства за счёт пропорционального роста расхода энергии, сырья, материалов, транспорта и вовлечения новых трудовых ресурсов. Этот путь бесперспективен, так как при этом не растёт качество и не снижается себестоимость продукции, превращая её в затратную и неконкурентоспособную; увеличивается нагрузка на окружающую среду и требуется все большее число работающих (но невысокой квалификации); не внедряются достижения науки и не разрабатываются высокие технологии.
    Этот путь характерен для нашей страны в период с 60-х годов XX в. до настоящего времени. Историей, в том числе и историей США, доказано, что сырьевая добывающая экономика не заинтересована в инновациях промышленных производств. Имея повышенные доходы и лоббируя свои интересы во властных структурах, руководители монопольных объединений и их окружение прикладывают огромные усилия для сохранения своего привилегированного положения.
    Перспективным является другой, интенсивный путь развития производства, при котором во всё возрастающих объёмах выпускается продукция высокого потребительского качества при минимальных расходах сырья, энергии, материалов и человеческих ресурсов.

6

    Интенсификация производства может быть реализована посредством создания техники новых поколений и на её базе - новых высоких технологий.
    Характерные черты техники нового поколения, отличающие её от модернизированной техники, состоят в следующем: во-первых, реализация новой технической идеи - научного открытия, крупного изобретения, комплекса изобретений; во-вторых, скачкообразный рост эффективности, повышение производительности труда, экономия сырья, снижение материалоёмкости и энергозатрат. Для своевременной смены поколений техники необходимо, чтобы первая фаза цикла - техника нового поколения - опережала последнюю фазу цикла - технику предыдущего поколения. Поэтому важно вовремя переориентировать конструкторов и изготовителей на разработку и освоение техники нового поколения.
    Создание современных машин, приборов, новых материалов и технологий -сложный процесс, требующий соответствующей государственной политики, создания или восстановления научных школ, аналитических центров, отраслевых конструкторских бюро, развития промышленного капитального строительства, подготовки высококвалифицированных специалистов. Следует подчеркнуть, что копирование даже передовых зарубежных разработок неминуемо приводит к техническому отставанию. Только изучение тенденций развития техники и упреждающий выход вперёд позволяет создавать высокоэффективную технику, не имеющую аналогов за рубежом, у конкурентов.
    Для этого необходимо провести научно-экономическое прогнозирование целесообразности реализации выбранного направления создания образца новой техники и определить:
    -  патентную чистоту используемых технических решений;
    -      преимущества по сравнению с известными лучшими в мире образцами новой техники, реализующими те же функции;
    -      влияние создаваемой техники на развитие смежных отраслей промышленности;
    -  потребности по годам;

7

    -  возможности и объёмы экспорта в другие страны;
    -      величины затрат на прикладные исследования, на разработку технической документации, модернизацию действующих производственных предприятий или капитального строительства новых предприятий, на подготовку и освоение регулярного производства;
    -  прогнозируемую себестоимость и цену одного изделия;
    -  ожидаемый экономический эффект;
    -  срок окупаемости затрат всех видов.
    Результаты этого этапа носят приблизительный характер, так как может отсутствовать достоверная информация о работах конкурентов в конкретном направлении и полная характеристика создаваемого образца новой техники, но ответ на вопрос о целесообразности работ по его созданию может быть получен.
    Прикладные научно-исследовательские работы выполняются на экспериментальных образцах, которые являются прообразами новой техники. При этом создаваемые образцы новой техники должны не только обладать патентной чистотой, но и иметь патентную защиту в тех странах, где предполагается их эксплуатация.
    При проведении прикладных научных исследований заранее формулируются и обосновываются конечная цель и задачи, которые необходимо решить для её достижения; должны быть известны объём финансирования для создания экспериментального образца и для проведения исследований; определены этапы и сроки их выполнения. В процессе разработки и создания экспериментального образца новой техники могут возникнуть новые технические решения, подлежащие патентованию.
    Конструкторские работы - это деятельность, в результате которой выполняется научная и инженерно-техническая проработка создаваемого образца новой техники, с получением технической документации, необходимой для его промышленного производства.

8

    Подготовка серийного производства включает комплекс конструкторских, технологических и организационных работ, связанных с переходом предприятия на массовый или серийный выпуск нового изделия. На этой стадии осуществляют корректировку конструкторской документации применительно к конкретным производственным условиям, разработку технологических процессов, проектирование и изготовление оснастки и инструмента, решение организационных вопросов и др. При необходимости выполняют производственные исследования, связанные с улучшением качества, экономичности и надёжности новых изделий.
    Освоение регулярного производства - завершающая стадия создания новой техники. Она включает работы, направленные на обеспечение конкретным предприятием ритмичного выпуска новых изделий с заданными техникоэкономическими показателями.
    Необходимо заметить, что создание новой техники - сложный процесс, требующий вложения больших финансовых средств, высокого уровня развития науки и техники и наличия высококвалифицированных, творческих его участников. Последнее связано с повышением качества всех видов образования и как материального (вознаграждение, соответствующее творческим успехам), так и морального (почёт и уважение в обществе) социального стимулирования.
    Центральное место в системе создания новой техники занимают прикладные научные исследования. Они позволяют:
    -      проверить на экспериментальном образце эффективность новых технических решений, используемых в образце новой техники;
    -  уточнить целесообразность создания образца новой техники;
    -      получить новые технические решения, повышающие эффективность работы промышленного образца;
    -      получить все исходные материалы, необходимые для конструкторской проработки нового образца техники.
    Настоящее учебное пособие предназначено в качестве вспомогательного источника информации для самостоятельной проработки студентами тематики, 9

связанной с научными исследованиями, их методами и приёмами, их прикладным аспектом при изучении дисциплины «Дереворежущие станки и инструменты» в рамках направления подготовки 15.03.02 «Технологические машины и оборудование».
    С целью иллюстрации методики прикладных научных исследований применительно к решению прикладных НИР и ОКР в книге рассмотрены примеры расчётов прочности и долговечности пильных полотен, а также приведён вариант работы пильных модулей пильного блока в режиме обратной отрицательной связи, чего нет ни в одном распиловочном устройстве, использующем полотна.
    Представлены решения и расчёты конкретных конструкторско-технологических задач, направленных на создание и эксплуатацию принципиально нового энергосберегающего оборудования повышенной производительности для производства паркета, ламелей, обрезной доски, двухкантного бруса высокого качества.
    Пособие рекомендовано студентам технических вузов в рамках изучения основ прикладных и научных исследований при создании новой техники. Пособие может быть полезным для преподавателей, бакалавров, магистров и инженеров, а также разработчиков модификаций оборудования с круговым поступательным движением полотен (исполнительных элементов).
    При освоении знаний этого учебного пособия планируется формирование компетенций (знаний), предусмотренных основной профессиональной образовательной программой и учебным планом высшего учебного заведения на основе образовательного стандарта по направлению подготовки 15.03.04 «Автоматизация технологических процессов и производств».
    Для освоения и изучения указанной дисциплины необходимы знания в области теоретической механики, сопротивления материалов, материаловедения, деталей машин, технологии конструкционных материалов, а также основ математики и физики.

10

    Продуктивное освоение дисциплины обеспечивается изучением изложенного в пособии материала с одновременным его обсуждением на семинарах и лекциях.
    Самопроверку целесообразно вести, осуществляя контрольные расчёты силовых и конструктивных параметров узлов и деталей, включая инерционные силы, динамический баланс валов, внецентренное растяжение полосы по методу Л. Эйлера, а также скорость воздушной струи, используя упрощённое уравнение Бернулли.

11

ГЛАВА 1


   ОБОСНОВАНИЕ И АКТУАЛЬНОСТЬ СОЗДАНИЯ
НОВОГО ЛЕСОПИЛЬНОГО ОБОРУДОВАНИЯ
С КРУГОВЫМ ПОСТУПАТЕЛЬНЫМ ДВИЖЕНИЕМ ПИЛЬНЫХ ПОЛОТЕН


            1.1. Введение


   В настоящее время известен широкий спектр станков, включающий три основные конструктивные схемы лесопильного оборудования:
   -     лесорамы - станки с возвратно-поступательным движением пильной рамки;
   -    станки с дисковыми пилами;
   -    станки с ленточными пилами.
   Каждая из этих трёх конструктивных схем имеет свои достоинства и недостатки.
   Лесопильные рамы (Р63-4Б как самые распространённые в России или малогабаритный станок РМ-50) с одновременным выпиливанием нескольких досок за один проход бревна или бруса (рис. 1.1). Обеспечивают обработку брёвен диаметром до 540 мм. Имеют достаточно высокую производительность. При этом потеря энергии составляет величину около 30...35 % от установленной мощности на преодоление сил инерции при возвратно-поступательном движении пильной рамки на преодоление сил инерции бревна при синхронизации его циклической подачи в зону резания (пиления). При этом затраты энергии для распиловки единицы продукции возрастают обратно пропорционально диаметру распиливаемого бревна и при среднем диаметре бревна 330 мм затраты больше в два раза, чем при распиловке любым другим упомянутым типом

12

оборудования. Указанный фактор становится актуальным в условиях постоянного повышения стоимости энергоносителей, да и не только поэтому.
    Характеризуется необходимостью значительного объёма (до 30 % от номинальной цены) строительно-монтажных и сопутствующих работ по возведению основания (фундамента), стационарностью, значительным весом, необходимостью получения ТУ на электроэнергию.

Рис. 1.1. Принципиальная схема лесопильной рамы с возвратно-поступательным движением пильных полотен:
1 - главный вал; 2 - кривошипно-шатунный механизм; 3 - пильная рамка;
4 - нижние вальцы; 5 - распиливаемое бревно; 6 - верхние вальцы;
7 - направляющие; 8 - пилы

     Практическое отсутствие контроля усилия натяжения полотен ведёт к изменению их расчётных характеристик и, как следствие, - к потере их устойчи

13