Определение влияния интенсивности термической модификации древесины на энергоёмкость процесса пиления круглыми пилами Королев Александр Сергеевич

Содержание к диссертации

Введение

ГЛАВА 1. Анализ состояния вопроса, цель и задачи исследований 9

1.1. Основные сведения о термической обработке древесины. 9

1.1.1. Изменение свойств древесины после процесса термической обработки 9

1.1.2. Существующие технологии термической модификации древесины и древесных материалов 11

1.2. Основные сведения о пилении древесины круглой пилой, обзор работ в области механической обработки древесины и древесных материалов 12

1.2.1. Основные сведения о пилении древесины круглыми пилами 12

1.2.2. Аналитический обзор работ в области механической обработки древесины и древесных материалов резанием 16

1.3 Выводы, цель и задачи исследования 26

ГЛАВА 2. Экспериметальные исследования физико-механических характеристик древесины после термической модификации 29

2.1. Краткий обзор работ в области изучения физико-механических свойств ТМ древесины 29

2.2 Экспериментальные исследования физико-механических свойств термически

модифицированной древесины 33

2.2.1. Методика проведения исследований 34

2.2.2. Результаты исследований изменения плотности и потери массы древесины после процесса термической обработки 36

2.2.3. Результаты экспериментальных исследований изменения предела прочности и предела прочности при статическом изгибе древесины после процесса термической обработки 38

2.3. Выводы 49

ГЛАВА 3. Исследование влияния процесса термической модификации на процесс элементарного резания 52

3.1. Методика проведения экспериментальных исследований элементарного резания 52

3.1.1. Выбор факторов экспериментальных исследований 55

3.1.2. Определение необходимого объема выборки

3.2. Определение качественных характеристик процесса элементарного резания термически модифицированной древесины 57

3.3. Результаты экспериментальных исследований 61

3.4 Выводы 78

ГЛАВА 4. Теоретические исследования процесса продольного и поперечного пиления древесины круглыми пилами 79

4.1. Влияние различных факторов на процесс пиления древесины 79

4.2. Расчет энергосиловых параметров процесса пиления древесины круглыми пилами 80

4.3. Выводы 83

ГЛАВА 5. Экспериметальные исследования процесса пиления термически модифицированной древесины 85

5.1. Цель и задачи экспериментальных исследований 85

5.2. Разработка измерительного шлейфа для исследования процесса пиления термически модифицированной древесины

5.3. Разработка виртуального прибора в среде «LabVIEW» 89

5.4. Методика экспериментальных исследований процесса пиления термически модифицированной древесины 92

5.5. Результаты экспериментальных исследований

5.5.1. Результаты обработки экспериментальных данных продольного пиления термически модифицированной древесины круглой пилой 97

5.5.2. Результаты обработки экспериментальных исследований поперечного пиления термически модифицированной древесины круглой пилой

5.6. Обобщение результатов обработки экспериментальных данных 111

5.7. Выводы 113

Основные выводы и рекомендации 115

Список литературы 117

Приложение 1. Результаты теоретических исследований процесса продольного и поперечного

пиления древесины круглыми пилами 129

Приложение 2. Результаты экспериментальных исследований процесса пиления термически

модифицированной древесины 132

Приложение 3. Результаты экспериментальных исследований процесса элементарного резания

термически модифицированной древесины 139

• Основные сведения о пилении древесины круглой пилой, обзор работ в области механической обработки древесины и древесных материалов
• Результаты исследований изменения плотности и потери массы древесины после процесса термической обработки
• Определение необходимого объема выборки
• Расчет энергосиловых параметров процесса пиления древесины круглыми пилами

Введение к работе

Актуальность темы исследования

Древесина - наиболее распространенный сырьевой материал,

используемый в различных отраслях промышленности, в том числе целлюлозно-бумажной, мебельной, строительных материалов. К основным преимуществам древесины относятся ее возобновляемость и экологичность использования, однако она подвержена воздействию дереворазрушающих грибов, имеет сравнительно низкую стабильность форм, а также ограниченный срок эксплуатации.

Для увеличения биостойкости древесины применяют химические
вещества, которые могут оказывать токсичное воздействие на человека и
окружающую среду. Сегодня большое практическое значение имеет

экологичность модифицированной древесины. К одному из современных методов модификации можно отнести термическую модификацию древесины. Термически модифицированная древесина (ТМД) – это древесина, которая подвергается нагреву от 160 С, например, в среде перегретого водяного пара. В результате такой обработки древесина приобретает повышенную биологическую стойкость, низкую гигроскопичность, увеличивается срок ее службы, что способствует повышению спроса на данный продукт на рынке строительных материалов.

Процесс механической обработки термически модифицированной

древесины резанием изучен недостаточно и имеет свои особенности. Ограничены данные по влиянию интенсивности термической обработки на энергосиловые параметры и качество поверхности при элементарном резании и пилении термически модифицированной древесины круглыми пилами.

В связи с этим исследования, направленные на определение энергоемкости процесса пиления термически модифицированной древесины, являются актуальными.

Цель исследования – определить влияние интенсивности термической модификации древесины на энергоемкость процесса продольного и поперечного пиления круглыми пилами.

В соответствии с целью исследований решены следующие задачи:

1) определено влияние продолжительности и максимальной температуры обработки термической модификации на изменение физико-механических характеристик (массы, плотности, нормализованной влажности, предела прочности и модуля упругости при статическом изгибе) древесины сосны (Pnus sylvstris), березы (Btula Pndula), дуба (Qurcus Rbur), осины (Tilia Europaea) и липы (Ppulus Trmula);

1. экспериментально установлено влияние термической модификации на энергосиловые параметры процесса продольного и поперечного элементарного резания, а также шероховатость поверхности обработки (R_a, R_z, R_max) древесины березы, дуба и сосны;

2. выполнены теоретические исследования процесса пиления древесины круглыми пилами;

3. разработан план и методика экспериментальных исследований для определения влияния интенсивности термической модификации на энергоемкость процесса продольного и поперечного пиления древесины сосны, березы и дуба круглыми пилами;

4. разработана экспериментальная лабораторная установка для исследования процессов механической обработки древесины на основе устройства сбора данных «NI USB-6008»;

5. экспериментально установлено влияние термической модификации древесины на энергоемкость процесса продольного и поперечного пиления круглыми пилами, получены поправочные коэффициенты, учитывающие степень термической обработки древесины.

Научная новизна:

1. результаты экспериментальных исследований влияния термической модификации древесины на энергосиловые параметры и качество поверхности обработки при продольном и поперечном элементарном резании;

2. результаты экспериментальных исследований физико-механических свойств, а также взаимодействие модуля упругости и предела прочности при статическом изгибе термически модифицированной древесины исследуемых пород;

3. регрессионные модели взаимосвязи ширины и высоты пропила, скорости подачи, потери массы древесины после термической модификации с энергоемкостью процесса продольного и поперечного пиления круглыми пилами;

4. поправочные коэффициенты, учитывающие интенсивность термической модификации древесины при продольном и поперечном пилении круглыми пилами.

Теоретическая и практическая значимость

Теоретическая значимость представленной работы заключается в дополнении методики расчета энергосиловых параметров процесса пиления древесины круглыми пилами, которое позволяет учитывать интенсивность термической модификации древесины.

Практическая значимость заключатся в том, что результаты могут быть
использованы при проектировании дереворежущего инструмента и

деревообрабатывающего оборудования, а также выборе режимов процесса

пиления термически модифицированной древесины с учетом качества поверхности обработки и его энергоэффективности. Результаты исследования физико-механических свойств термически модифицированной древесины могут быть использованы при проектировании изделий и конструкций на основе термически модифицированной древесины. Разработанная экспериментальная лабораторная установка, на основе устройства сбора данных «NI USB-6008», прикладной программы в среде «LabVIEW», может применяться для определения энергосиловых параметров станочных процессов обработки древесины.

Методы исследований

В диссертационной работе были использованы: научные положения
теории резания древесины; современные измерительные устройства:

профилометр Mitutoyo Surftest SJ-210 (Mitutoyo Corporation, Япония),
пароконвекционная камера XVC 305 EP (UNOXS.p.A., Италия), универсальная
испытательная машина AG-50kNXD (Shimadzu, Япония), устройство сбора
данных (АЦП/ЦАП) «NI USB-6008»; лицензированное программное

обеспечение: «LabVIEW 2013», «Statistica» 8.0, «TableCurve 2D» и «TableCurve 3D», «Statgraphics CenturionXVI», «MS Excel 2010», «TRAPEZIUMX»; методики планирования эксперимента и обработки экспериментальных данных для статистического и регрессионного анализа при определении влияния интенсивности термической модификации на процесс пиления древесины круглыми пилами.

На защиту выносятся научные положения:

5. результаты исследования влияния термической модификации на физико-механические свойства древесины: массу, плотность, модуль упругости и предел прочности при статическом изгибе;

6. результаты исследований влияния термической модификации на процесс элементарного (продольного и поперечного) резания древесины;

7. регрессионные модели взаимосвязи ширины и высоты пропила, скорости подачи, интенсивности термической модификации древесины с энергоемкостью процесса продольного и поперечного пиления круглыми пилами;

8. поправочные коэффициенты, учитывающие интенсивность термической модификации при продольном и поперечном пилении термически модифицированной древесины круглыми пилами.

Достоверность выводов и результатов исследований

Результаты и выводы обоснованы теоретически и экспериментально, отражают физическую сущность рассматриваемых процессов. Достоверность результатов исследований обеспечена большим количеством экспериментальных

данных, полученных и обработанных с использованием современных измерительных программных комплексов и устройств, системных подходов при разработке методик и методов планирования эксперимента, математической статистики, адекватностью полученных регрессионных моделей.

Апробация результатов. Основные научные положения и результаты
исследований докладывались, обсуждались и были одобрены на научных
конференциях профессорско-преподавательского состава, докторантов,

аспирантов и студентов Поволжского государственного технологического
университета (г. Йошкар-Ола, 2011-2015 гг.); молодежном образовательном
форуме «Селигер», Тверь, 2011-2012 гг.; республиканском конкурсе

молодежных инновационных проектов, г. Йошкар-Ола, 2013-2014 гг.; международном фестивале инноваций, знаний и изобретательства «Тесла Фест», Сербия, г. Нови Сад, 12-15 октября 2013 г.; V Международном симпозиуме РКСД «Строение, свойства и качество древесины – 2014», Москва – Мытищи, 22-25 сентября 2014 г.; Международной конференции «InWood 2015: Инновации в древесных материалах и процессах», г. Брно, 19-22 мая 2015 г.

Работа выполнена при поддержке Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере по программе «УМНИК» № 12157р/20835 от 29.07.2013.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 16 работ, в том числе 8 статьей в журналах из перечня ВАК.

Структура и объем работы. Диссертация включает введение, 5 разделов, заключение и список литературы, изложена на 124 с.; список литературы содержит 105 наименований.

На всех этапах работы в качестве научного консультанта принимал участие кандидат технических наук, доцент Е.С. Шарапов.

Основные сведения о пилении древесины круглой пилой, обзор работ в области механической обработки древесины и древесных материалов

Многие исследователи отмечают малоизученность процесса резания (механической обработки) древесины и древесных материалов, ДСтП, ДВП, древесно-слоистых пластиков и древесных материалов. Очевидны и масштабны проблемы и сложность ее решения.

Разработкой физических основ механики резания древесины, происходящих при образовании новой поверхности, занимается школа проф. Е.Г. Ивановского (ЛТА), создавшего физическое направление в теории резания древесины.

В трудах Ивановского Е.Г. [12-14] представлены обобщенные результаты экспериментальных исследований процессов пиления и фрезерования древесины и древесных материалов. Представлены результаты влияния таких факторов как толщина снимаемого слоя, высота пропила, параметры режущего инструмента, скорости подачи и скорости резания, а так же физических свойств обрабатываемого материала на энергосиловые параметры процессов пиления и фрезерования. На тот период результаты резания ТМД отсутствуют, однако, на основании исследований свойств разных пород [20] а так же изученного влияние плотности и влажности древесины на процесс резания [24] возможно предположить об изменение энергосиловых параметров при механической обработке модифицированной древесины. Так же можно отметить работу Ивановского [14], в которой автор описывает конструкции и схемы экспериментальных установок, методы измерений и методики исследований по определению показателей процесса резания. Рассмотрены закономерности изменения физических параметров при элементарном резании. Можно отметить методику измерения силы действия резца на древесину [13], при помощи измерительного узла состоящего из полого стального цилиндра с толстыми фланцами. На цилиндре в определенном порядке наклеены сопротивления трх мостов. При изгибе цилиндра в любом из трх направлений электрические сопротивления изменяются, что приводит к появлению разности потенциалов, пропорциональная силе на резце.

В работе В.И. Любченко [22] представлен обобщенный материал в области обработки древесины и древесных материалов резанием, охватывающий различные научно-методические направления описания простых и сложных процессов резания. Большое внимание в работе уделено станочным процессам обработки древесины, при этом на первый план выдвигаются методы определения энергосиловых параметров процесса резания по «табличной силе» и «объемной» формуле». При табличных условиях резания определяется единичная касательная сила средняя на длине срезаемого слоя FXT ,Н/мм, а так же удельная работа резания (табличное значение), KТ, Дж/см3. Для определения расчетных значений FXР ,Н/мм и KР, Дж/см3 находить как произведение FXT ,Н/мм или KТ, Дж/см3на поправочные коэффициенты, учитывающие отличия расчетных условий резания от табличных.

Одним из важных этапов развития науки о резание является методика определения энергосиловых параметров резания древесины А.Л. Бершадского [2, 3], е суть заключается в том, что он связывает результаты экспериментальных исследований и формулы для расчета энергосиловых показателей процесса резания, такое учение о резании древесины получило название физико-технологическое направление, в которой разбивает силу резания на две составляющие: фиктивную единичную касательную силу на задней поверхности резца (p, Н/мм) и фиктивное среднее удельное давление передней грани на поперечное сечение срезаемого слоя (k, Н/мм2). На основании опытных данных установлены эмпирические зависимости для величин p, Н/мм и k, Н/мм2 для разных пород древесины. Автор рассматривает резание по макро и микро слоям, обосновывая разницу между этими видами резания и приводит соответственные им эмпирические формулы для определения энергосиловых показателей процесса резания.

Развитие расчетного метода профессора А.Л. Бершадского получило в работах профессора УГЛТУ И.Т.Глебова [3,7,8], который представляет новые формулы для расчета величины силы резания по задней поверхности резца, коэффициента затупления, сил резания, в диапазоне срезаемых микрослоев. Разница указанных значений, получаемых по методу А.Л. Бершадского и по предложенным автором формулам, невелика, но в новых формулах рассчитываемый параметр взаимосвязан с параметрами основного уравнения режима резания. Основное уравнение режима резания имеет вид: - для срезаемых макрослоев (а 0,1 мм); Fx1 = арр + ка - для срезаемых микрослоев (а 0,1 мм) . Fx1/i = F31M + кмам По мнению автора новые формулы позволяют по-новому оценить процесс резания, так как они объединяют несколько параметров режима резания и все параметры основного уравнения режима резания. Таким образом, новое уравнение для силы резания по задней поверхности указывает на диалектическую взаимосвязь и взаимозависимость сил резания по передней и задней поверхностям лезвия.

Так же представляет интерес труд В.И. Санва в котором приведена методика и результаты экспериментальных исследований закономерности изменения сил на зубе круглой пилы [27]. Опыт проводился на динамометрической копровой установке. Представлены результаты экспериментальных исследований изменения касательного, нормального и бокового усилия резания в зависимости от толщины стружки при различных условия проведения опытов. Недостатком данного эксперимента является малая скорость резания, т.к. реальная скорость резания на производстве в десятки раз превышает экспериментальную. Так же приведены результаты изменения касательной силы резания в зависимости от радиуса затупления режущей кромки, угла заднего и переднего угла зубьев. В результате исследований были предложены обобщенные степенные формулы, позволяющие рассчитывать удельную силу резания, среднеокружную и нормальную силу резания, мощность на резания [27].

В труде С.А. Воскресенского [4] представляется теоретический материал по элементарному резанию древесины и процессов стружкообразования при резании древесины как однородного изотропного материала с точки зрения механико-математического анализа процесса резания. Представляются результаты экспериментальных исследований деформаций древесины при внедрении в нее клина опубликованные П.Н. Герасимовым и А.Е. Золотаревым в 1941 году. Так же можно отметить представленные в работе теоретические исследования процесса сжатия стружки передней гранью резца, на основании которых автор делает общие выводы о процессе стружкообразования.

В научной статье И.Т. Глебова [6] приводиться зависимость режимов пиления древесины круглыми пилами от диаметра пил и числа зубьев. Автор провел исследования на расчетной модели и пришел к выводу, что на процесс резания действует два фактора по разному влияющие на процесс резания: приближение к торцовому резанию и уменьшение затупления зубьев. Так же автор, анализируя процесс пиления, варьируя значения диаметра пилы, скорости подачи приходит к выводу, что значения диаметр пилы обеспечивает максимальную производительность и минимальное энергопотребление при пилении древесины.

Результаты исследований изменения плотности и потери массы древесины после процесса термической обработки

Согласно определению ГОСТ 2789-73 шероховатость поверхности -это совокупность неровностей с относительно малыми шагами, образующих рельеф поверхности. Шероховатость поверхности определяется по ее профилю, который представляет собой ломаную линию пересечения поверхности плоскостью, перпендикулярной направлению неровностей. Профиль рассматривается на длине базовой линии, в пределах которой оцениваются параметры шероховатости поверхности. В рекомендациях Международного комитета по стандартизации ИСО/Р-468 «Шероховатость поверхности» приняты две системы отсчета высот неровностей: системы М и Е. В системе М отсчет высоты неровностей производителя от средней линии профиля, а в системе Е - от огибающей линии, лежащей вне контура шероховатости поверхности. В Российской Федерации при стандартизации шероховатости поверхности в основу принята система отсчета М, в которой при определении параметров профиля отсчет высот неровностей производится от средней линии профиля. Средняя линия профиля - это базовая линия, имеющая форму номинального профиля и делящая реальный профиль так, что в пределах базовой длины сумма квадратов отклонений профиля от этой линии минимальна. Линия, эквидистантная средней линии и проходящая через высшую точку профиля в пределах базовой длины, называется линией выступов профиля. Линию, эквидистантную средней линии профиля и проходящую через низшую точку профиля в пределах базовой длины, принято называть линией впадин профиля. Для оценки и нормирования шероховатости поверхности известно около 30 параметров. ГОСТ 2789-73 и ГОСТ 27964-88 регламентирует шероховатость поверхности шестью параметрами (рис. 1).

Среднее арифметическое отклонение профиля Ra - среднее арифметическое абсолютных значений отклонений профиля в пределах базовой длины 1 п Ra=-Y\y (3-9) П i=l где yi - расстояние между точкой реального профиля и средней линией профиля; п - число выбранных точек на базовой длине. 2. Высота неровностей профиля по десяти точкам Rz - сумма средних арифметических (абсолютных) отклонений точек пяти наибольших максимумов и пяти наибольших минимумов профиля в пределах базовой длины где yPmi - отклонение пяти наибольших максимумов профиля; yVmi -отклонение пяти наибольших минимумов профиля. 3. Наибольшая высота неровностей профиля Rmax - расстояние между линией выступов профиля в пределах базовой точки Rm=Yp.ma,+Yv.m (З.П) 4. Средний шаг неровностей Sm - среднее арифметическое значение шага неровностей профиля в пределах базовой длины 1 Щ Sm=—T;S ni, (ЗЛ2) П2 г=1 где Smi - шаг неровностей профиля і-го участка, т.е. длина отрезка средней линии профиля, содержащая выступ профиля и сопряженную с ним впадину профиля; п2 - число шагов в пределах базовой длины. 5. Средний шаг неровностей по вершинам S - среднее арифметическое значение шагов местных выступов профиля (по вершинам) в пределах базовой длины где Si - шаг местных выступов профиля, т.е. длина отрезка средней линии между проекциями на нее двух наивысших точек соседних выступов профиля; пЗ - число шагов неровностей профиля по вершинам в пределах базовой длины. 6. Относительная опорная длина профиля tp, %, где р - числовое значение уровня сечения профиля, - это отношение опорной длины профиля 1р к базовой длине 1 где 1р - опорная длина профиля, которая определяется суммой длин отрезков, отсекаемых на заданном уровне р выступов профиля линией, параллельной средней линии в пределах базовой длины где bi - длина отрезка, отсекаемого на выступе профиля; п4 - число отсекаемых выступов профиля. Оценка шероховатости поверхности может осуществляться качественными и количественными методами. Качественные методы оценки основаны на сравнении обработанной поверхности с образцами шероховатости. Количественные методы основаны на измерение микронеровностей специальными приборами. Контроль шероховатости путем сравнения со стандартными образцами или аттестованной деталью широко используется в цеховых условиях. Шероховатость поверхности детали сравнивается визуально (невооруженным глазом или через лупу) с поверхностью образца из того же материала и обработанного тем же способом, что и деталь. Метод сравнения обеспечивает надежную оценку шероховатости поверхности в пределах Ra = 0,63...5 мкм. Более чистые поверхности (Ra = 0,08...0,32 мкм) сравниваются с помощью специальных микроскопов сравнения.

Количественные методы оценки основаны на измерении микронеровностей специальными приборами (бесконтактными и контактными).

Наибольшее распространение для бесконтактных измерений шероховатостей получили оптические приборы: светового сечения, теневой проекции и интерференции света. Приборы светового сечения (ПСС) называют двойными микроскопам (МИС-11 системы В.П. Линника). Они позволяют измерять шероховатость поверхности до Rz = 0,8 мкм. Для измерения более чистых поверхностей с Rz = 0,8...0,03 мкм применяют микроинтерферометры (МИИ-4; МИИ-5; МИИ-10; МИИ-12), работающие на принципе интерференции света. Поверхность образца (детали) рассматривается в микроскоп и при этом на ее изображение накладываются интерференционные полосы, по искривлению которых судят о распределении неровностей. Если бы контролируемая поверхность была идеально плоской, то на ней возникли бы прямые параллельные интерференционные полосы. Микронеровности на поверхности изменяют ход лучей и вызывают искривление полос, которые воспроизводят микропрофиль контролируемого участка. Высоту неровностей определяют так же, как и в методе светового сечения с помощью винтового окулярного микрометра [41].

Наибольшее распространение для определения шероховатости поверхности контактным методом получили щуповые приборы, работающие по методу ощупывания поверхности алмазной иглой. К этой группе приборов относятся профилометры, непосредственно показывающие среднее арифметическое отклонение профиля Ra, и профилографы, записывающие профиль поверхности. Алмазные иглы к профилометрам и профилографам имеют коническую форму с очень малым радиусом закругления при вершине.

Определение необходимого объема выборки

Регрессионная модель мощности при поперечном пилении древесины дуба круглой пилой(К2= 90.6519; скорректированный R2 (DF Adj R2 )= 78.7543; стандартная ошибка аппроксимации (Fit. Std. Err) = 112.458): P = -704,508 + 29,0188-h-61,4226 + 175,098-Vs + 88,5253-Am-0,416048-h2 + +0.34375 h b + 5,825 h Vs-1.33125 h Аm + 80,5952-b 2-102,5-b-Vs-15,9375-b-Аm+ (56) +29,3952-Vs2-10,2812-Vs-Am + 0,930952-Am2

На основании результатов дисперсионного анализа (табл. 5.8.) статистически значимые эффекты имеют все входные факторы, что подтверждает и карта Парето (рис. 5.33.), где соответствующие им колонки пересекают вертикальную линию, представляющую 95% доверительную вероятность. Результат оценки мощности при продольном пилении дуба исследования представлены в приложении 2 табл. П2.6., а влияние варьируемых факторов эксперимента на процесс представлены в приложении на рисунке П2.6.

На основании Суммарная ошибка 139115. 11 12646.9 Всего (корр.) 1.48816Е6 25 111 Рисунок 5.33. Карта Парето представленных результатов экспериментальных исследований процесса поперечного пиления термически обработанной древесины наблюдается снижение мощности относительно немодифицированных образцов для древесины сосны 17 и 27%; березы 26 и 46%; дуба 10 и 17%, соответственно при потере массы образцов после термической обработки 4 и 8%. (рис. 5.34). 45 40 35 30 25 20 15 10 5 Сосна Береза Дуб 2 Потеря массы, % Рисунок 5.34 Сравнение мощностей разных пород затрачиваемой на поперечное пиление в зависимости от потери массы (интенсивности термической обработки) 5.6. Обобщение результатов обработки экспериментальных данных На основании представленных исследований можно сделать вывод, что в процессе термической модификации древесины происходит статистически значимое снижение потребляемой Экспериментальные исследования проводились на лабораторной экспериментальной установке, на кафедре Деревообрабатывающих производств ПГТУ. Основу экспериментальной установки составлял комбинированный станок Performax PKM-300 на основе однофазного электродвигателя АИРЕ-80С2 с номинальной мощностью 2200 Вт и частотой вращения пильного вала 4200 об/мин.Образцы подавались при помощи устройства автоподачи с номинальной мощностью привода 160 Вт и фиксированными скоростями (табл.5.1).Пиление осуществлялось плоской дисковой пилой с зубьями, оснащенными пластинками из твердого сплава, диаметром 250 мм, с количеством зубьев 32 шт. Контурный угол резания при пилении 79. На основе результатов предварительных экспериментов и объема исследуемого материала количество повторных опытов было принято равное трем.

Экспериментальная установка для исследования процесса пиления круглой пилой представлена на рисунке 5.8. Рисунок 5.8. Экспериментальная лабораторная установка на основе комбинированного станка Performax PKM-300

Исходя из технических характеристик лабораторной экспериментальной установки, параметров используемого режущего инструмента и анализа факторов, влияющих на энергосиловые параметры процесса пиления, выбраны факторы и пределы их варьирования (табл. 5.1.)

Результаты экспериментальных исследований продольного и поперечного пиления древесины сосны, березы и дуба представлены в таблице 5.1 и 5.2. Статистическая обработка результатов экспериментальных исследований осуществлялась в программных комплексах «MSExcel», «STATGRAPHICS Centurion XVI» и Sigma Plot 12.5. Таблица 5.1. Результаты экспериментальных исследований продольного пиления термически модифицированной древесины № Высотапропила,мм Ширинапропила,мм Скоростьподачи,м/мин Потерямассы,% Средняя мощность на пиление, Вт

На основании результатов дисперсионного анализа (табл. 5.3.) статистически значимые эффекты имеют все входные факторы, что подтверждает и карта Парето (рис. 5.12.), где соответствующие им колонки пересекают вертикальную линию, представляющую 95% доверительную вероятность. Результат оценки мощности при продольном пилении сосны исследования представлены в приложении 2 табл. П2.1., а влияние варьируемых факторов эксперимента на процесс представлены в приложении на рисунке П2.1. Таблица 5.3 Дисперсионный анализ регрессионной модели мощности при продольном пилении древесины сосны круглой пилой

Регрессионная модель определения мощности при продольном пилении древесины березы круглой пилой (R2= 94,674;скорректированный R2(DF Adj R2 )= 87,8954; стандартная ошибка аппроксимации (Fit. Std. Err) = 101,93): P = 10833.7 - 60.8537-h- 6242.37-b+ 463.354-Vs- 27.806-Аm + + 0.979952-h2+ 10.1875-h-b- U5-h-Vs- 1.0125h-Дm + 875.908-h2+ (5.2) + 44.315-b-Vs+ 11.5625-b-Дm- 68.7548-Vs/- 2.8125-Vs-Am- 1.93155-Аm2 На основании результатов дисперсионного анализа (табл. 5.4.) статистически значимые эффекты имеют все входные факторы, что подтверждает и карта Парето (рис. 5.16.), где соответствующие им колонки пересекают вертикальную линию, представляющую 95% доверительную вероятность. Результат оценки мощности при продольном пилении березы исследования представлены в приложении 2 табл. П2.2., а влияние варьируемых факторов эксперимента на процесс представлены в приложении на рисунке П2.2.

Расчет энергосиловых параметров процесса пиления древесины круглыми пилами

В работе [41] представлена методика исследований пиления древесины лиственных пород круглыми пилами. Опыты проводились на экспериментальной установке на базе круглопильного станка Ц-6 с механической подачей. Фиксация усилий подачи и нормальной к ней силе производились осциллографом. Попутно определялась чистота обработки поверхности методом светового сечения на приборе ТСП-4 конструкции профессора Б.М. Буглая. Представлены результаты экспериментальных исследований изменения удельной работы резания на зуб в зависимости от угла резания (=55 и =65), от углов перерезания, высоты пропила и толщины снимаемой стружки. Так же представлены зависимости изменения частоты поверхности (шероховатость) распила в зависимости от скорости резания, угла резания, толщины стружки, угла перерезания волокон и высоты пропила. Работа подтверждает применяемость методов общего закона резания древесины, к процессу пиления дисковыми пилами. Это позволило автору выдвинуть формулу для определения удельной работы резания К кгм/см2 для пиления лиственных пород древесины дисковыми пилами, а так же представлено, что скорость резания в пределах 30-74 м/сек, почти не влияет на удельную работу резания.

В диссертационном труде [41] представляется методика исследования процесса пиления древесно-стружечных плит. Опыты проводились на фрезерном станке модели ФА с автоподачей, специально оборудованном измерительным суппортом. Измерение составляющих усилия резания проводились с помощью малоинерционного тензометрического датчика при распиловке малых образцов (длина образца 60 мм). Представлены результаты исследований влияния заднего угла, контурного угла резания, угла косой заточки по передней грани зуба, угла косой заточки зуба по задней грани на удельную работу резания древесно-стружечных плит. Рассмотрено влияние режимных факторов на процесс пиления стружечных плит, влияние количество связующего в плитах на степень и характер износа зубьев пил. Изложены рекомендации по оптимальным угловым параметрам зубьев круглых пил при распиловке плит с различными свойствами. Установлено что использование попутной подачи при распиловке древесно-стружечных плит увеличивает расход мощности на резание, а так же рекомендовано оптимальные значения скорости резания при распиливании плит с различными свойствами.

В работе [17] исследовано влияние скорости резания на степень затупления зубьев пил. Опыт проводился в лаборатории на делительно-реечном станке. Мощность резания определялась по напряжению и силе тока, потребляемого асинхронным двигателем. Величина тока, напряжения и сдвига фаз фиксировались с помощью осциллографа. Усилие подачи измерялось электрическим методом с использованием наклеиваемого датчика сопротивления и измерительной мостовой схемы. Представлены результаты экспериментальных исследований износа передней грани зубьев пилы, влияние скорости резания на износ зубьев, скорости резания на износ передней грани и скорости резания на величину мощности и удельной работы резания.

В диссертационном исследовании [45] автор исследует режимы продольного пиления круглыми пилами. В результате экспериментальных исследований процесса продольного пиления было определено: влияние скорости резания на силовые параметры и частоту поверхности распила. Представлены зависимости изменения мощности резания, усилия подачи и удельной работы резания от скорости резания и характеристики частоты поверхности распила в зависимости от скорости резания; влияние величины подачи на зуб на силовые параметры и частоту поверхности распила. Представлены результаты исследования профилировки зубьев круглых пил для продольной распиловки, а так же влияние величины заднего и переднего углов на силовые параметры и частоту поверхности распила. Была установлена закономерность влияния величины шага зубьев на силовые параметры и частоту поверхности распила. В работе [34] представлено исследование процесса поперечного пиления круглыми пилами. Опыты проводились на установке РПС конструкции Е.Г. Ивановского и на маятниковом копре конструкции А.Э. Грубе. Составляющие силы взаимодействия определялись косвенным методом, который заключался в записи переменной скорости подачи обрабатываемого резанием образца древесины, закрепленного на уравновешенном маховике известной массы. Кривая изменения скорости подачи во времени обработки позволила перейти к ускорению. На маятниковом копре производилось исследование стружкообразования и определение оптимального угла косой заточки зубьев. Резание производилось двумя зубьями, закрепленными в режущей головке, которая поворачивалась на некоторый угол грузом, падающим с определенной высоты. В результате опытов было установлено, что величина касательной и нормальных составляющих и удельной работы резания зависит от ширины пропила. Увеличение ширины пропила вызывает рост касательной составляющей и уменьшение удельной работы резания и нормальной составляющей. Получены корреляционные уравнения для величины касательной нормальной составляющих и удельной работы резания. Так же опыты установили, что величина касательной составляющей и удельной работы резания зависит от объемного веса древесины; изменение объемного веса не вызывает заметных изменений величины нормальной составляющей. На величину касательной и нормальной составляющих и удельной работы резания существенное влияние оказывает затупление пилы.

В работе Любославского В.Д. [23] рассмотрены специальные виды резания древесины, раскрываются их особенности, которые обобщаются и систематизируются сведения о нм. Развивается учение о резание древесины специальными видами резания. Исследования [48] пиления древесины бука и ели показали, что существует высокий уровень корреляции между силой резания и мощностью потребляемой электроприводом деревообрабатывающего станка, что значительно упрощает исследование станочных процессов обработки древесины ввиду упрощения проведения исследования.

Согласно данным [49, 69] влажность древесины значительно влияет на величину силы резания. Эксперименты показали, что с увеличение доли заболонной древесины сила резания возрастает, как мерзлой, так и для не мерзлой, поскольку заболонная древесина имеет более высокую влажность, чем сердцевина. Также существуют исследования влияния влажности на пиление круглыми пилами [72], которые показали что энергетические затраты на пиление свежесрубленной древесины на 20-30 % ниже чем при пилении древесины прошедшей гидротермическую обработку (сухой древесины).

Исследования [69] показывают, что увеличение силы резания с уменьшением содержания влаги, однако это только для влажности древесины менее 50%. Предыдущая работа [75] сообщает, что скорость резания оказывает незначительное влияние на величину усилия резания и изменяется линейно.