РАЗРАБОТКА И ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ РАБОЧЕЙ ПОВЕРХНОСТИ ОТЖИМНОЙ НАПРАВЛЯЮЩЕЙ ДЛЯ УЗКИХ ЛЕНТОЧНЫХ ПИЛ

Сивков К.Е.

Аспирант кафедры технологии лесозаготовительных и деревообрабатывающих производств ФГАОУ ВПО «Северный (Арктический) федеральный Университет имени М.В. Ломоносова»

РАЗРАБОТКА И ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ РАБОЧЕЙ ПОВЕРХНОСТИ ОТЖИМНОЙ НАПРАВЛЯЮЩЕЙ ДЛЯ УЗКИХ ЛЕНТОЧНЫХ ПИЛ

Аннотация

Объектом исследования являются ленточнопильные станки для распиловки пиломатериалов. Целью работы является разработка отжимных направляющих для узких ленточных пил. В результате была разработана конструкция отжимной аэростатической направляющей для станков с узкими полотнами ленточных пил, увеличивающая их ресурс и повышающая качество пиломатериалов. В процессе исследования проведен теоретический расчёт значений подъёмной силы в зависимости от различных условий работы направляющей. Определено, что данная конструкция направляющих обеспечивает правильную работу при выбранных условиях. В работе проведены исследования влияния отжимных направляющих на основные технико-эксплуатационные показатели: точность пиления, качество пиломатериалов, ресурс работы ленточных пил.

Ключевые слова: ленточная пила, отжимная направляющая, подъемная сила, долговечность, точность пиления, изгиб, качество пиломатериалов.

Sivkov K.E.

Postgraduate student at the Department of Technology of logging and woodworking industries FSAEI  HPE «Northern (Arctic) Federal University named after M.V. Lomonosov»

DESIGN AND DETERMINATION OF THE WORKING SURFACE PARAMETERS OF SPRING-TONGUE DIRECTING FOR NARROW BAND SAW

Abstract

Research objects are band saws for cutting lumber. Purpose is to create spring-tongue directing rails for narrow band saws. The result was a design spring-tongue directing for narrow band saws, increasing their service life and improves the quality of lumber. The study was carried out theoretical calculation values of lift depending on various conditions of directing. As a result, it was determined that the directing structure for narrow band saws ensures proper operation under selected conditions. It determined that this design ensures proper operation of the guide at the selected conditions. In this paper conducted research the influence of squeezing guides on the main technical and operational parameters: sawing accuracy, lumber quality, durability of band saws.

Keywords: band saw, spring-tongue directing, lift, durability, cutting precision, bending, quality.

В настоящее время на малых и средних лесопильных предприятиях широкое распространение получили ленточнопильные станки с узкими пильными лентами. Преимуществами этих станков является невысокая энерго- и металлоёмкость, меньшие габаритные размеры, более низкая цена и простота в обслуживании. Основным недостатком таких ленточнопильных станков является значительная разнотолщинность получаемых пиломатериалов, а, следовательно, и низкое качество последних[4]. Это обусловливается низкой степенью стабильности узкой пильной ленты.

Для повышения показателей качества пиления древесины требуется увеличение жесткости и устойчивости пилы во время работы.

Одним из способов повышения жесткости ленточной пилы является использование направляющих, установленных над и под распиливаемым материалом. Одним из путей устранения этого недостатка является установка щелевых и отжимных направляющих. Щелевые направляющие фактически выполняют роль ограничителей бокового биения пилы и практически не влияют на качество получаемых пиломатериалов [9]. Отжимные направляющие позволяют повысить точность пиления. В качестве отжимных направляющих используются ролики или аэростатические направляющие, которые создают дополнительные напряжения изгиба [10].

 В работе [5] рассмотрены отжимные направляющие, рабочая поверхность которых выполнена в виде аэростатических опор. Они обеспечивают значительное снижение трения полотна пилы о поверхности направляющих, и для их изготовления не требуется применение тепло- и износостойких материалов.

Еще один из существующих вариантов решения этого вопроса - отжимные аэростатические направляющие с регулируемой кривизной рабочей поверхности позволяют минимизировать дополнительно возникающие напряжения изгиба, поэтому их установка практически не влияет на ресурс пил и позволяет получать пиломатериалы с высокой точностью размеров [3], [11].

В процессе исследования была разработана новая компоновка удлиненной отжимной аэростатической направляющей, позволяющая регулировать положение рабочей поверхности относительно впадин зубьев узкой пильной ленты (рис. 1). Техническое решение заключается в том, что корпус направляющей состоит из двух оснований. Верхнее основание жёстко крепится к раме лесопильного станка. Нижнее основание крепится к верхнему болтово-гаечным способом, причём в верхнем основании отверстия для болтов выполнены в продолговатой форме, а в нижнем – в круглой форме Такая форма отверстий позволяет  юстировать аэростатическую опору по мере износа пильной ленты, тем самым избегая падения эффективности направляющей. К нижнему основанию жёстко крепится консольно-расположенный гибкий элемент с гибкой рабочей поверхностью [8].

В процессе работы, узкие пильные ленты, подвергаются воздействию поперечных сил при надвигании распиливаемого материала, что в свою очередь вызывает значительный их изгиб и отклонение в сторону движения материала, снижая точность пиления, а также срок службы пил. На решение этого вопроса направлено второе новое техническое решение –  установка ролика, поддерживающего полотно пилы во время пиления со стороны задней кромки. Данный ролик позволяет свести к минимуму поперечное деформационное воздействие на пильную ленту [7].

Разработанная отжимная аэростатическая направляющая представлена на рис. 1, общий вид направляющей представлен на рис. 2.

Отжимная аэростатическая направляющая состоит из верхнего основания 4, в котором выполнены отверстия продолговатой формы для соединения с нижним основанием 3. Отверстия имеют ось для начального скрепления оснований и ось, отдалённую на расстояние λ, для конечного скрепления оснований. Величина n определяется максимально допустимым износом пильной ленты 1. К нижнему основанию направляющей неподвижно крепится гибкий элемент 2 с отфрезерованной рабочей поверхностью, образующей аэростатическую микроканавку , к которой по воздухопроводам 5 осуществлен подвод сжатого воздуха. Тем самым, рабочая поверхность направляющей образует аэростатическую опору для пильной ленты. Между нижним основанием и гибким элементом направляющей установлен упругий элемент 6 с регулируемой жёсткостью. В тыльной стороне направляющей установлен поддерживающий ролик 7, который минимизирует поперечные смещения пильной ленты.

Рис. 1 – Отжимная аэростатическая направляющая

Рис. 2 – Общий вид отжимной аэростатической направляющей

Предложенная конструкция обеспечивает возможность применения отжимной аэростатической направляющей для ленточнопильного станка с узкой пильной лентой, эффективную работу направляющей такой конструкции на протяжении всего эксплуатационного срока пильной ленты, а также повышение сроков службы пильной ленты и значительного улучшения качества пиломатериалов.

Для обеспечения стабильной работы направляющей, необходимо задать соответствующие параметры аэростатической опоры.

При определении параметров аэростатической опоры использован численный метод [6]. В соответствии с рекомендациями [4], задано расположение микроканавок и количество отверстий поддува на аэростатической опоре (рис. 3).

Расчеты аэростатических опор проводились с использованием математического пакета Maple 14.0 компании Waterloo Maple Inc. Целью расчетов было определение оптимальных рабочих параметров аэростатической опоры, при которых достигается ее стабильная работа  и оптимальная подъемная сила. Погрешность при сравнении с полученными результатами от опытных данных составляет не более 6%. В ходе исследования учитывались постоянные факторы: η = 17,95·10^-6 Па·с - динамическая вязкость воздуха; ρ_а = 1,2 кг/м³ - плотность атмосферного воздуха; р_а = 9,81·10⁴ Па - атмосферное давление, a = 0,85 - коэффициент истечения воздуха через отверстие поддува.    По результатам исследований, проведенных в источниках [2], [3], рекомендуется выбрать следующие рабочие параметры: зазор для аэростатической отжимной направляющей h = 0,05...0,1 мм; диаметр отверстий d - 0,6...1,0 мм.

В теоретическом исследовании приняты следующие параметры: зазор h = 0,05 мм, d = 0,6...1,0 мм с шагом 0,1 мм; p_s = 0,5...1,0 МПа с шагом 0,1 МПа, глубина микроканавки t = 0,9 · 10^-3 м.

Рис. 3 – Рассматриваемый вариант расположения отверстий поддува отжимных аэростатических направляющих для узких пильных лент

Результаты расчетов (удельная подъемная сила К_Н, подъемная сила Q_Н и расход воздуха W_H в зависимости от величины зазора между опорой и поднимаемым объектом h, диаметра отверстий d и абсолютного давления подводимого воздуха p_s) представлены в таблице 1, из которой можно выбрать строку оптимальных значений искомых величин.

Таблица 1 – Рабочие параметры направляющей в зависимости от диаметра отверстий d и давления подводимого воздуха p_s

d, мм	ps, МПа	КH, МПа	QН, кН	WH, м3/мин	QН / WH, кН·м3/мин
0,6	0,5	0,0192	0,0627	0,0375	1,670933
0,7		0,0253	0,0826	0,0510	1,619216
0,8		0,0318	0,1038	0,0669	1,551570
0,9		0,0388	0,1266	0,0840	1,507143
1,0		0,0460	0,1501	0,1040	1,443269
0,6	0,6	0,0226	0,0738	0,0452	1,632301
0,7		0,0297	0,0969	0,0610	1,589180
0,8		0,0372	0,1214	0,0798	1,521303
0,9		0,0451	0,1472	0,1010	1,457426
1,0		0,0534	0,1743	0,1250	1,394400
0,6	0,7	0,0260	0,0849	0,0526	1,613308
0,7		0,0338	0,1103	0,0717	1,538354
0,8		0,0423	0,1381	0,0937	1,473853
0,9		0,0511	0,1668	0,1180	1,413559
1,0		0,0603	0,1968	0,1460	1,347945
0,6	0,8	0,0292	0,0953	0,0601	1,585691
0,7		0,0379	0,1237	0,0817	1,514076
0,8		0,0471	0,1537	0,1070	1,436449
0,9		0,0569	0,1857	0,1350	1,375556
1,0		0,0669	0,2184	0,1670	1,307784
0,6	0,9	0,0323	0,1054	0,0678	1,554572
0,7		0,0418	0,1364	0,0921	1,480999
0,8		0,0518	0,1691	0,1200	1,409167
0,9		0,0623	0,2034	0,1520	1,338158
1,0		0,0732	0,2389	0,1880	1,270745
0,6	1,0	0,0353	0,1152	0,0753	1,529880
0,7		0,0455	0,1485	0,1020	1,455882
0,8		0,0563	0,1838	0,1340	1,371642
0,9		0,0676	0,2207	0,1690	1,305917
1,0		0,0792	0,2585	0,2090	1,236842

Зависимость распределения подъемной силы по поверхности аэростатической направляющей от величины давления представлена на рис.4.

Рис. 4 – Распределение подъемной силы по поверхности аэростатической опоры

Проведенные теоретические исследования показали, что для обеспечения оптимальной подъемной силы и стабильной работы аэростатических направляющих для узких ленточных пил, давление подводимого воздуха должно быть не менее 0,6 МПа при диаметре отверстий для истечения воздуха 0,6 мм (таблица 1).

В ходе работы были получены патенты на изобретение № 2547709 от 13 марта 2015 г.[7] , и № 2556911 от 19 июня 2015 г. [8].

Список литературы / References

1. Дербин, М.В. Анализ конструкций направляющих ленточнопильных станков [Текст] / М.В. Дербин, В.М. Дербин, Р.Е. Яновский, К.Е. Сивков // Актуальные проблемы развития лесного комплекса: Материалы международной научно-технической конференции. – Вологда: ВоГТУ, – 2014. – С 133-135.
2. Дербин, М.В. Определение формы отжимной аэростатической направляющей [Текст] // Опыт лесопользования в условиях Северо-Запада РФ и Фенноскандии: материалы международной научно-технической конференции, посвящённой 60-летию лесоинженерного факультета ПетрГУ. – Петрозаводск, 2011. С 12-13.
3. Дербин, М.В. Совершенствование аэростатических направляющих для дереворежущих пил: дис. … канд. техн. наук [Текст] / М.В. Дербин. – Архангельск. – 2012. – 151 с.
4. Прокофьев, Г.Ф. Интенсификация пиления древесины рамными и ленточными пилами [Текст] / Г.Ф. Прокофьев. – М.: Лесн. пром-сть. – 1990. – 240 с.
5. Прокофьев, Г.Ф. Повышение эффективности пиления древесины на лесопильных рамах и ленточнопильных станках: монография [Текст] /Г.Ф. Прокофьев, И.И. Иванкин. – Архангельск: АГТУ. – 2009. – 380 с. – ISBN 978-5-261-00453-0.
6. Прокофьев, Г.Ф. Применение опор с газовой смазкой в технике: учеб. пособие [Текст] / Г.Ф. Прокофьев, Н.И. Дундин, И.И. Иванкин. – Архангельск: Изд-во АГТУ. – 1999. – 65 с..
7. Пат. 2547709, Российская Федерация, МПК В 27 В 13/10. Отжимная направляющая ленточной пилы [Текст] / Дербин М.В., Дербин В.М, Яновский Р.Е., Сивков К.Е. – № 2014104068/13; заявл. 05.02.2014; опубл. 10.04.2015, Бюл. №10.
8. Пат. 2556911, Российская Федерация, МПК В 27 В 13/10. Отжимная направляющая ленточной пилы [Текст] / Дербин М.В., Дербин В.М, Яновский Р.Е., Сивков К.Е. – № 2014104888/13; заявл. 11.02.2014; опубл. 20.07.2015, Бюл. №20.
9. Пат. 2243087 Российская Федерация, МПК В 27 В13/10, С1, Направляющая ленточнопильного станка [Текст] / Новосельцева И.В. - № 2003120014/03; заявл. 01.07.2003; опубл. 27.12.2004, Бюл. № 36.
10. Пат. 2366569 Российская Федерация, МПК В 27 В13/10, С1, Отжимная аэростатическая направляющая ленточной пилы [Текст] / Прокофьев Г.Ф. - № 2007145962/03; заявл. 10.12.2007; опубл. 09.2009, Бюл. № 20.
11. Пат. 2458787, Российская Федерация, МПК В 27 В 13/00. Отжимная аэростатическая направляющая ленточной пилы [Текст] / Прокофьев Г.Ф., Дербин М.В., Дербин В.М. – № 2011107545; заявл. 25.02.2011; опубл. 20.08.2012, Бюл. №23.

Список литературы на английском языке / References in English

1. Derbin, M.V. Analiz konstrukcij napravlyayushchih lentochnopil'nyh stankov [Analysis of the constructions of guide band saws] / M.V. Derbin, V.M. Derbin, R.E. Yanovskij, K.E. Sivkov // Aktual'nye problemy razvitiya lesnogo kompleksa: Materialy mezhdunarodnoj nauchno-tekhnicheskoj konferencii [Actual problems of forestry complex: Proceedings of the international scientific and technical conference] – Vologda: VoGTU, – 2014. – P 133-135. [in Russian]
2. Derbin, M.V. Opredelenie formy otzhimnoj aehrostaticheskoj napravlyayushchej [Defining forms squeezing aerostatic guide] // Opyt lesopol'zovaniya v usloviyah Severo-Zapada RF i Fennoskandii: materialy mezhdunarodnoj nauchno-tekhnicheskoj konferencii, posvyashchyonnoj 60-letiyu lesoinzhenernogo fakul'teta PetrGU [Forest management experience in the North-West Russia and Fennoscandia: materials of the international scientific conference dedicated to the 60th anniversary of the Faculty of Forest Engineering PetrSU.] – Petrozavodsk, 2011. P 12-13. [in Russian]
3. Derbin, M.V. Sovershenstvovanie aehrostaticheskih napravlyayushchih dlya derevorezhushchih pil: dis. … kand. tekhn. nauk [Improving aerostatic guides of saw saws] / M.V. Derbin. – Arhangel'sk. – 2012. – 151 P. [in Russian]
4. Prokof'ev, G.F. Intensifikaciya pileniya drevesiny ramnymi i lentochnymi pilami [Intensification of sawing wood by web and band saws] / G.F. Prokof'ev. – M.: Lesn. prom-st'. – 1990. – 240 P. [in Russian]
5. Prokof'ev, G.F. Povyshenie ehffektivnosti pileniya drevesiny na lesopil'nyh ramah i lentochnopil'nyh stankah: monografiya [Improving the efficiency of sawing wood frames in sawmills and bandsaw machines: monograph] /G.F. Prokof'ev, I.I. Ivankin. – Arhangel'sk: AGTU. – 2009. – 380 P. – ISBN 978-5-261-00453-0. [in Russian]
6. Prokof'ev, G.F. Primenenie opor s gazovoj smazkoj v tekhnike: ucheb. posobie [The use of gas-lubricated bearings with the technique: studies. Manual] / G.F. Prokof'ev, N.I. Dundin, I.I. Ivankin. – Arhangel'sk: Izd-vo AGTU. – 1999. – 65 P. [in Russian]
7. Pat. 2547709, Rossijskaya Federaciya, MPK V 27 V 13/10. Otzhimnaya napravlyayushchaya lentochnoj pily [Trailable guide bandsaw] / Derbin M.V., Derbin V.M, YAnovskij R.E., Sivkov K.E. – № 2014104068/13; statement 05.02.2014; publicated 10.04.2015, bulletin №10. [in Russian]
8. Pat. 2556911, Rossijskaya Federaciya, MPK V 27 V 13/10. Otzhimnaya napravlyayushchaya lentochnoj pily [Trailable guide bandsaw] / Derbin M.V., Derbin V.M, YAnovskij R.E., Sivkov K.E. – № 2014104888/13; statement 11.02.2014; publicated 20.07.2015, bulletin №20. [in Russian]
9. Pat. 2243087 Rossijskaya Federaciya, MPK V 27 V13/10, S1, Napravlyayushchaya lentochnopil'nogo stanka [Band saw guide]  / Novosel'ceva I.V. - № 2003120014/03; statement 01.07.2003; publicated 27.12.2004, bulletin №36. [in Russian]
10. Pat. 2366569 Rossijskaya Federaciya, MPK V 27 V13/10, S1, Otzhimnaya aehrostaticheskaya napravlyayushchaya lentochnoj pily [Trailable aerostatic guideways bandsaw] / Prokof'ev G.F. - № 2007145962/03; statement 10.12.2007; publicated 10.09.2009, bulletin № 20. [in Russian]
11. Pat. 2458787, Rossijskaya Federaciya, MPK V 27 V 13/00. Otzhimnaya aehrostaticheskaya napravlyayushchaya lentochnoj pily [Trailable aerostatic guideways bandsaw] / Prokof'ev G.F., Derbin M.V., Derbin V.M. – № 2011107545; statement 25.02.2011; publicated 20.08.2012, bulletin №23. [in Russian]