Введение к работе
Актуальность темы. Высокая энергозатратность традиционных процессов пиления древесины настоятельно требует усовершенствования серийных инструментов в направлении их специализации. В настоящее время в приоритетном порядке осваиваются ресурсы хвойных пород древесины и совершенно неудовлетворительно используются ресурсы мягколиственных пород, которые при отсутствии современных мощностей по глубокой переработке древесины не пользуются спросом. Острая нехватка в Российской Федерации технологического оборудования по переработке тонкомерной и низкосортной древесины не позволяет в полной мере освоить огромные ресурсы древесины мягких лиственных пород.
Согласно последним статистическим данных доля сырья древесины мягких лиственных пород составляет около 30% от общего объёма перерабатываемой древесины, при этом, ещё до 30% отходит безвозвратно в опилки и стружку. В настоящее время полностью не исследованы упруго-пластические свойства мягколиственной древесины (липа, осина, тополь, ольха и др.) при динамических нагрузках, точная характеристика которых позволит перейти к обоснованию параметров режущих инструментов для такой древесины и режимов пиления с малым энергопотреблением, большим полезным выходом, более высокой производительностью. Повышение качества обработки древесины мягких лиственных пород позволит реально перейти к промышленному освоению технологии по переработке низкосортной мягколиственной древесины. В настоящий момент недостаточно эффективным является использование круглопильных станков, которые составляют около 30…50% всего станочного парка лесопильно-деревообрабатывающих предприятий. Технико-экономические показатели их работы в значительной степени определяются режимами процессов пиления, поэтому, совершенствование круглых пил для обработки древесины мягких лиственных пород определяет в значительной степени показатели работы современного деревообрабатывающего оборудования.
Работа выполнялась по гранту программы «У.М.Н.И.К.» Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере по государственным контрактам №7472р/10212 от 29.01.2010г (рег. №01201054680), №8965р/14052 от 19.04.2011г. (рег. №01201164132); хоздоговорной тематике с ГБУ КК «Управление «Краснодарлес», договор №23/11 (рег. №01201178183); госбюджетной тематике ФГБОУ ВПО «Воронежская государственная лесотехническая академия»: «Исследования технологических процессов деревообработки и свойств древесины» (рег. № 01.2.00609241).
Степень разработанности проблемы. Изучению принципов повышения эффективности процессов пиления древесины посвящены исследования А.Э. Грубэ, А.Л. Бершадского, С.А. Воскресенского, В.В. Амалицкого, Е.Г. Ивановского, В.И. Санева, Л.Т. Свиридова и др. Особенностям конструкций круглых пил, обоснованию их параметров, посвящены работы Н.К. Якунина, однако им не обоснованы основные принципы энергоэффективности данных инструментов. Режимы пиления исследованы в достаточной степени Ю.М. Стахиевым, но вместе с тем совершенно необоснованно использование инструментов для продольного пиления древесины мягких лиственных пород, с определенными параметрами, с наивысшей эффективностью. Решению проблемы повышения эффективности продольного пиления древесины мягких лиственных пород уделялось до настоящего времени недостаточно внимания. В связи с тем, что не были определены свойства древесины мягких лиственных пород при динамических нагрузках невозможно было с достаточной достоверностью выбрать рациональные параметры режущих инструментов. Это объясняется тем, что мягколиственная древесина получила промышленное использование лишь в конце 20-го века и затронутой в работе проблеме уделялось недостаточно внимания. Таким образом, исследования процесса пиления древесины мягких лиственных пород находятся на начальном этапе своего развития.
Цель работы. Повышение эффективности продольного пиления древесины мягких лиственных пород круглыми пилами: повышение качества обработанных поверхностей и снижение энергоемкости процесса за счет обоснования рациональных линейных и угловых параметров круглой пилы с твердосплавными пластинками и режимов резания.
Задачи исследований.
-
Исследовать упруго-пластические свойства древесины мягких лиственных пород при динамических нагрузках, оказывающие влияние на энергоемкость процесса пиления и качество обработанных поверхностей.
-
Теоретически обосновать параметры режущего инструмента, адаптированного к пилению древесины малой плотности, с разработкой математической модели механизма стружкообразования.
-
Провести экспериментальные исследования в направлениях повышения качества и снижения энергоемкости процесса пиления.
-
Получить регрессионные уравнения для оценки степени влияния на шероховатость обрабатываемой поверхности и энергоемкость процесса пиления древесины мягких лиственных пород от факторов, влияющих на процесс. Определить оптимальные значения параметров и режимов резания разработанной конструкцией круглой пилы с разработкой программного обеспечения для ЭВМ.
-
Внедрить в производство и рассчитать технико-экономическую эффективность применения результатов исследований.
Объект исследований. Объектами исследований являлись линейные и угловые параметры круглой пилы, древесина мягких лиственных пород, режим пиления.
Предмет исследования. Закономерности контактного взаимодействия рабочей поверхности круглой пилы с древесиной. Математическая модель механизма стружкообразования при пилении древесины мягких лиственных пород круглой пилой. Регрессионные зависимости для оценки степени влияния факторов на шероховатость поверхности и энергоемкость процесса пиления.
Методологическую, теоретическую и эмпирическую базу исследований составляют: системный подход, выдвижение и проверка гипотезы, методы прикладной математики, теоретической механики, физики, физического моделирования, расчета экономической эффективности. Методы математической статистики для обработки экспериментальных данных на персональном компьютере с использованием стандартных программ Microsoft Office, Statistica, Компас 3D V10, Statgraphics plus 5.0, Visual Basic 6.0.
Научные положения, выносимые на защиту:
- упруго-пластические свойства древесины мягких лиственных пород (осина, ольха, липа) при динамических нагрузках и их реологические коэффициенты упругости и пластичности, позволяющие назначить рациональные геометрические параметры круглых пил для продольной распиловки;
- математическая модель механизма стружкообразования при пилении древесины мягких лиственных пород, позволяющая минимизировать силу взаимодействия резца со стружкой;
- обоснование рациональных линейных и угловых параметров круглой пилы, позволяющие установить оптимальные значения углов поднутрения сглаживающих зубьев, угла косой заточки, разности радиусов резания сглаживающих и косозаточенных зубьев;
- регрессионные уравнения для оценки степени влияния влажности, угла наклона волокон, ширины пропила, подачи на зуб на шероховатость обрабатываемой поверхности и энергоемкость процесса пиления древесины мягких лиственных пород, позволяющие установить оптимальные значения исследуемых факторов;
- оптимальные значения режимов пиления древесины мягких лиственных пород с обоснованием разработанных номограмм и программы для ЭВМ, позволяющие повысить эффективность и упростить расчеты назначаемых режимов пиления.
Научная новизна результатов исследований заключается в:
- исследовании упруго-пластических свойств древесины мягких лиственных пород (осина, ольха, липа), отличающемся воздействием динамических нагрузок на деформативность древесины, с определением коэффициентов упругости и пластичности;
- математической модели стружкообразования древесины мягких лиственных пород, отличающейся учетом зависимости контактных характеристик процесса пиления древесины мягких лиственных пород (величины контактного давления Ро, длины контакта передней грани зуба пилы с древесиной L, степени неравномерности распределения нагрузок по передней поверхности резца n) от условий пиления (высоты пропила H, переднего угла резца g, предела текучести древесины мягких лиственных пород st, коэффициента упругого восстановления волокон древесины Купр, коэффициента пластичности древесины Кпласт);
- обосновании конструкции круглой пилы (патент на изобретение №2378104), с рациональными линейными и угловыми параметрами, отличающейся чередованием сглаживающих и подрезающих (косозаточенных) зубьев, выполненных из твердосплавных пластин;
- регрессионных уравнениях для учета степени влияния основных факторов на шероховатость обрабатываемой поверхности и энергоемкость процесса пиления древесины мягких лиственных пород, отличающихся учетом совместного действия следующих факторов: влажности, угла наклона волокон, ширины пропила, подачи на зуб;
- рациональных режимах продольного пиления древесины мягких лиственных пород с использованием разработанной конструкции круглой пилы, отличающимися уточненными поправочными коэффициентами в объёмной формуле мощности резания, а также разработанной программе для ЭВМ (Св-во на программу №2009611214) и номограмм, позволяющих без расчетов назначать режимы пиления древесины мягких лиственных пород.
Теоретическая значимость. Заключается в возможности более точного определения силы пиления, действующей по задней поверхности резцов с учётом упруго-пластической деформации мягколиственной древесины, по значению которой можно установить величину необходимых деформирующих усилий в процессах продольного пиления древесины мягких лиственных пород. Разработанная математической модель механизма стружкообразования позволяет получить количественную оценку зависимости контактных характеристик процесса пиления древесины мягких лиственных пород от условий резания. Регрессионные уравнения шероховатости обрабатываемой поверхности и энергоемкости процесса пиления древесины мягких лиственных пород позволяют установить степень влияния действующих факторов (влажности, косослойности, ширины пропила и подачи на зуб). Полученные закономерности распределения напряжений в стружке позволяют выбрать критерий стружкообразования, позволяющий получить сливную стружку с высоким качеством обработанной поверхности и наименьшей энергоемкостью.
Практическая значимость. Полученные значения реологических коэффициентов для мягколиственной древесины позволяют учитывать их при проектировании технологических операций, а также конструкций инструментов, адаптированных для пиления мягколиственной древесины, при выборе их угловых и линейных параметров. Точное определение коэффициентов упругости и пластичности такой древесины позволяет назначить рациональные геометрические параметры круглых пил для продольной распиловки. Для удобства практических расчетов разработаны программа и номограммы по выбору основных технологических показателей процесса пиления древесины мягких лиственных пород круглыми пилами. Регрессионные уравнения шероховатости поверхности и мощности на пиление позволили выявить оптимальные значения влажности древесины мягких лиственных пород 15…20% и подачи на зуб, составляющей 0,06…0,1 мм, угол наклона волокон 0…10.
Апробация и реализация результатов диссертации. Основные положения диссертационной работы доложены, обсуждены и одобрены на пленарных конференциях по итогам научно-исследовательской работы студентов (2007-2009 г.г.), заседаниях кафедры технологии конструкционных материалов ГОУ ВПО «ВГЛТА» (2010 – 2011 г.г.), на Всероссийской научной студенческой конференции МарГТУ, Йошкар-Ола, 2007 г.; Всероссийской школе-конференции «Восстановление эколого-ресурсного потенциала агролесобиоценозов», ВГЛТА, Воронеж, сентябрь, 2008 г.; III Международной научной конференции «Проблемы природопользования и экологическая ситуация в Европейской России и сопредельных странах», г. Белгород, БГУ, октябрь, 2008 г.; Международной научно-технической конференции «Лесной комплекс: состояние и перспективы развития», г. Брянск, БГТА, ноябрь, 2008 г.; XVI международной конференции «Математика. Компьютер. Образование», г. Москва, МГУ им. М.В. Ломоносова, январь, 2009 г.; на Всероссийской конференции студентов, аспирантов и молодых ученых, ВГТА, ноябрь, 2009 г; конференции ВГЛТА «The proceeding of annual 2010 conference – reports in English», март, 2010 г.; Международной научно-технической конференции, посвященной 50-летию факультета технологии деревообработки ВГЛТА «Современные технологические процессы получения материалов и изделий», апрель, 2010 г.; V Международном евразийском симпозиуме «Деревообработка: технологии, оборудование, менеджмент XXI века», г. Екатеринбург, УГЛТУ, май, 2010 г.; X Всероссийской выставке НТТМ-2010, г. Москва, ВВЦ, июнь, 2010 г.; IX Международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы лесного комплекса», г. Брянск, БГИТА, октябрь, 2010 г.; X Международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы лесного комплекса», г. Брянск, БГИТА, май, 2011 г., X Всероссийской выставке-презентации учебно-методических изданий, г. Сочи, РАЕ, сентябрь, 2011 г.
Конструкция инструмента и режимы пиления внедрены на предприятиях ООО фирма «Олми», ООО «Лигнум», г. Воронеж, ГУ КК «Краснодарлес», г. Краснодар, деревообрабатывающем предприятии Сочинского национального парка, г. Адлер; результаты работы используются в учебном процессе на кафедрах древесиноведения, механической технологии древесины ГОУ ВПО «ВГЛТА».
Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 28 работ, 8 из которых без соавторов, общим объемом 35,93 п. л. (авторских – 22,16 п. л.), в том числе: 5 статей в изданиях, рекомендованных перечнем ВАК; 8 статей в изданиях центральной печати, монография; Патент на изобретение; Свидетельство на программное обеспечение ЭВМ; 8 докладов на международных и всероссийских конференциях.
Структура и объем диссертации. Основной объем работы составляет 147 страниц машинописного текста, 35 страниц приложений, 57 рисунков, 15 таблиц. Диссертационная работа состоит из введения, пяти разделов, основных результатов и выводов, библиографического списка, содержащего 122 наименования, в том числе 6 на иностранных языках, 5 приложений, в которые входят компьютерные программы и результаты расчетов, копии патентов, копии актов внедрения, благодарности, дипломы, почетные грамоты.
