Решение задачи снижения влияния боковой силы на устойчивость пильного полотна

УДК

621.8-1/-9

DOI:

10.37482/0536-1036-2020-2-118-128

Аннотация

Точность толщины пиломатериалов является одним из самых важных показателей пиления. она неразрывно связана с обеспечением устойчивости пилы в плоскости ее наибольшей жесткости. Цель исследования – устранение влияния боковой силы на пильное полотно и разнотолщинность получаемого пиломатериала. Классическими методами, при рамном пилении и пилении на ленточнопильных станках, задача устранения влияния боковой силы относится к конструктивному решению в совокупности с аналитическим. Поэтому важно при разработке нового станка выявить наличие огромного спектра частот собственных и параметрических колебаний пильных полотен. Ранее эти частоты не могли быть найдены аналитически в полном объеме и, соответственно, не могла быть осуществлена отстройка рабочих частот станка от возможных частот колебаний пильных полотен. в силу сложности и наукоемкости решение этой проблемы невозможно без применения современных численных методов расчета. К ним относятся: метод конечных элементов, программные продукты NX и ANSYS и другие оригинальные программы. одним из методов, который позволяет снизить влияние боковой силы, является определение «устойчивости плоской формы изгиба по Л. Эйлеру». Техническое решение, представленное принципиально новым пильным блоком с круговым поступательным движением полотен, значительно снижает влияние боковой силы на точность пиления в совокупности с рядом иных достоинств. одновременно с этим решается задача обеспечения динамической устойчивости полотен как при пилении, так и в режиме холостого хода. необходимо отметить, что при круговом поступательном движении боковые режущие кромки зубьев испытывают знакопеременную нагрузку, скобля по поверхности пропила. Поэтому к прочностным характеристикам режущего элемента зуба предъявляются повышенные требования. Для сохранения целостности уголков кончиков зубьев были скорректированы углы их заострения. Проведено исследование возможности упрочнения боковых режущих кромок зубьев пильных полотен, изготовленных из сталей различных марок. в ходе изучения причин износа и коррозии элементов пильного модуля и его рабочей части (зубьев полотна) принято решение о снабжении зубьев твердым сплавом типа «стеллит». однако это требует проведения дополнительных натурных испытаний. Предварительные расчеты показали, что суточная производительность станка с круговым поступательным движением полотен (модель М2005) по сравнению с лесопильными рамами увеличивается в 2–4 раза, с ленточнопильным оборудованием любого класса – в 3–6 раз, с круглопильным оборудованием (для малых и средних предприятий) – в 2–4 раза. Анализ конструктивной схемы многопильного блока и динамики движения пильных модулей выявил ряд достоинств. Простота и надежность конструкции позволяет надеяться на высокие функциональные характеристики, среди которых следует особо отметить рост производительности оборудования, повышение точности пилопродукции за счет жесткости коротких полотен, улучшение качества обработанных поверхностей пиломатериалов, снижение энергопотребления, относительно малый вес, динамическую сбалансированность основных узлов при повышенной мобильности оборудования и отсутствии массивного фундамента.

Сведения об авторах

М.А. Блохин, д-р техн. наук, доц.; ORCID: https://orcid.org/0000-0001-9537-0917
Д.А. Подлесный, соискатель; ORCID: https://orcid.org/0000-0003-1376-6585
О.А. Родионов, соискатель; ORCID: https://orcid.org/0000-0001-7603-3413
Московский государственный технический университет им. н.Э. Баумана, ул. 2-я Бауманская, д. 5, стр. 1, Москва, Россия, 105005; e-mail: hornet10@yandex.ru

Ключевые слова

пильный модуль, пильный блок, частота колебаний, динамическая устойчивость, боковая сила, разнотолщинность

Для цитирования

Blokhin М.A., Podlesny D.A., Rodionov O.A. Solving the Problem of Reducing the Influence of Lateral Force on the Saw Blade Stability // Изв. вузов. лесн. журн. 2020. № 2. с.118–128. DOI: 10.37482/0536-1036-2020-2-118-128

Литература

1. А. С. № 146019 сссР, МПК в27в 15/04. Устройство для распиловки древесины: № 734164/25-8: заявл. 09.06.1961: опубл. 1962 / Барташевич Ю.К. [Bartashevich Yu.K. Device for Sawing Wood. Certificate of Authorship USSR, no. 146019, 1962].
2. А. С. № 370026 сссР, МПК в27в 3/00. Лесопильная рама: № 1711986/29-33: заявл. 09.11.71; опубл. 1973 / Дерягин Р.В., Зязин В.В., Шишигин В.И. [Deryagin R.V., Zyazin V.V., Shishigin V.I. Sawing Frame. Certificate of Authorship USSR, no. 370026, 1973].
3. Блохин М.А. Исследование, разработка и создание лесопильного оборудования с круговым поступательным движением пильных полотен: дис. … д-ра техн. наук. М., 2015. 313 с. [Blokhin M.A. Research, Development and Creation of Sawmill Equipment with Circular Translational Motion of Saw Blades: Dr. Eng. Sci. Diss. Moscow, 2015. 313 p.]
4. Валиашвили Н.В., Гаврюшин С.С. Сопротивление материалов и конструкций. М.: Юрайт, 2017. 429 с. [Valiashvili N.V., Gavryushin S.S. Resistance of Materials and Constructions. Moscow, Yurayt Publ., 2017. 429 p.].
5. Патент № 1771443 сссР, МПК в27в 3/00. Лесопильная рама: № 4732392/15: заявл. 03.07.1989; опубл. 23.10.1992. / Буйнов Р.И. [Bujnov R.I. Saw Frame. Patent SU, no. SU 1771443 A3, 1992].
6. Патент № 2131806 Российская Федерация, МПК в27в 3/00, B27B 3/12, B28D 1/06. Пильный модуль, пильный блок и устройство для распиловки: № 98106906/13: заявл. 20.04.1998: опубл. 20.06.1999 / Блохин М.А. [Blokhin M.A. Sawing Module, Sawing Unit and Sawing Apparatus. Patent RF, no. RU 2131806 C1, 1999].
7. Патент № 2687035 Российская Федерация. МПК в27в 3/00. Многопильный блок с электромеханическим позиционированием пильных модулей: № 2018110263: заявл. 23.03.2018; опубл. 06.05.2019 / Блохин М.А., Гаврюшин с.с. [Blokhin M.A., Gavryushin S.S. Multi Sawing Unit with Electromechanical Positioning of Saw Modules. Patent RF, no. RU 2687035 C1, 2019].
8. Прокофьев Г.Ф., Иванкин И.И. Повышение эффективности пиления древесины на лесопильных рамах и ленточнопильных станках: моногр. Архангельск: АГТУ, 2009.   380 с. [Prokofʼyev G.F., Ivankin I.I. Efficiency Improvement of Wood Sawing on Saw Frames and Bandsaw Machines. Arkhangelsk, ASTU Publ., 2009. 380 p.].
9. Прокофьев Г.Ф., Иванкин И.И., Казанцев В.А. Повышение качества пиления древесины на лесопильных рамах: моногр. Архангельск: АГтУ, 2007. 192 с. [Prokofʼyev G.F., Ivankin I.I., Kazantsev V.A. Improving the Quality of Wood Sawing on Saw Frames. Arkhangelsk, ASTU Publ., 2007. 192 p.].
10. Прокофьев Г.Ф., Микловцик Н.Ю. Основы прикладных научных исследований при создании новой техники: моногр. Архангельск: САФУ, 2014. 171 с. [Prokofʼyev G.F., Miklovtsik N.Yu. Fundamentals of Applied Scientific Research in the Creation of New Technology. Arkhangelsk, NArFU Publ., 2014. 171 p.].
11. ASTM Standard G119. Standard Guide for Determining Amount of Synergism between Wear and Corrosion. Annual Book of ASTM Standards. Vol. 03.02: Corrosion of Metals; Wear and Erosion. West Conshocken, PA, ASTM, 2001.
12. Bayer R.G. Mechanical Wear Fundamentals and Testing. New York, CRC Press, 2004. 416 p.
13. Characterization of Corrosion Products on Steel Surfaces. Ed. by Y. Waseda, S. Suzuki. Berlin, Springer, 2006. 297 p. DOI: 10.1007/978-3-540-35178-8
14. Darmawan W., Rahayu I.S., Tanaka C., Marchal R. Chemical and Mechanical Wearing of High Speed Steel and Tungsten Carbide Tools by Tropical Woods. Journal of Tropical Forest Science, 2006, vol. 18, no. 4, pp. 255‒260.
15. El-Batahgy A.M., Ramadan A.R., Moussa A.-R. Laser Surface Hardening of Tool Steels – Experimental and Numerical Analysis. Journal of Surface Engineered Materials and Advanced Technology, 2013, vol. 3, no. 2, pp. 146–153. DOI: 10.4236/jsemat.2013.32019
16. Huvi R., Heikki V. Tasapainoitettu raamisaha [Balanced Frame Saw]. Patent FI, no. FI 25783 A, 1952.
17. Landolt D. Corrosion and Surface Chemistry of Metals. Switzerland, EPFL Press, 2007. 400 p.
18. Lee J.-H., Jang J.-H., Joo B.-D., Son Y.-M., Moon Y.H. Laser Surface Hardening of AISI H13 Tool Steel. Transactions of Nonferrous Metals Society of China, 2009, vol. 19, iss. 4, pp. 917–920. DOI: 10.1016/S1003-6326(08)60377-5
19. McGehee J.W. Reciprocating Gang Saw. Patent US, no. 3,929,048. 1975.
20. Mizutani A., Tsuge K., Matsubara K., Ito A. Band Saw Having Adjustable Blade Guide. Patent US, no. US 2012/0055312 A1, 2012.

Ссылка на английскую версию:

Solving the Problem of Reducing the Influence of Lateral Force on the Saw Blade Stability

УДК 621.8-1/-9
DOI: 10.37482/0536-1036-2020-2-118-128

SOLVING THE PROBLEM OF REDUCING THE INFLUENCE OF LATERAL FORCE ON THE SAW BLADE STABILITY

M.A. Blokhin, Doctor of Engineering, Assoc. Prof.; ORCID: https://orcid.org/0000-0001-9537-0917
D.A. Podlesny, External PhD Student; ORCID: https://orcid.org/0000-0003-1376-6585
O.A. Rodionov, External PhD Student; ORCID: https://orcid.org/0000-0001-7603-3413
Bauman Moscow State Technical University, ul. 2-ya Baumanskaya, 5, str. 1, Moscow, 105005, Russian Federation; e-mail: hornet10@yandex.ru

The accuracy of the thickness of lumber is one of the most important indicators of sawing. It is inextricably linked with saw stabilization in the plane of the greatest stiffness. The aim of the study is to eliminate the influence of lateral force on the saw blade and the thickness of the resulting lumber. The issue of eliminating the influence of lateral force in frame sawing and sawing on band saws belongs to the constructive decision in combination with the analytical one according to classical methods. Therefore, the most important issue in the development of a new machine is to identify the presence of a huge range of frequencies of natural and parametric oscillations of saw blades. Previously, these frequencies could not be analytically found to the full extent and, respectively, the tuning out the machine operating frequencies of the possible oscillation frequencies of saw blades could not be carried out. Due to the complexity and the science intensity of the problem solving, it is not conceivable without modern numerical methods of calculation. Among them are the finite element method, modern software of NX and ANSYS, as well as other original programs. One of such methods, which allow to reduce the influence of lateral force, is determination of stability of the plane form of bending by the Eulerʼs method. The technical solution presented by a fundamentally new saw block with a circular translational motion of the blades reduce dramatically the impact of lateral force on the accuracy of sawing in conjunction with a number of other advantages. At the same time, the issue of ensuring the dynamic stability of the blades both when sawing and at idling speed is solved. It is necessary to point out that with circular translational motion the tooth side cutting edges are under alternating load when scraping over the cut surface. Therefore, the tooth cutting element is a subject of increased strength requirements. The angles of their sharpening were adjusted in order to preserve the integrity of the corners of the teeth tips. The possibility of strengthening the teeth lateral cutting edges of saw blades made of steels of different grades was investigated. The reasons of wear and corrosion, both the elements of the saw module and its operating part (blade teeth) were studied and it was decided to supply the teeth with a hard alloy of the stellite type as the most optimal. However, this provision requires additional targeted field tests. Preliminary calculations showed that the daily productivity of a machine with circular translational motion of the blades (model M2005) in comparison with saw frames increases by 2–4 times; in comparison with band saw equipment of any class by 3–6 times; and in comparison with the circular saw equipment (for small and medium enterprises) by 2–4 times. Analyzing the design scheme and the dynamics of the saw modules, it is possible to find a number of advantages of the multi-saw unit presented as part of the machine. The simplicity and reliability of the design allows us  to hope for high functional characteristics. Among those we should highlight the following: increasing the accuracy of sawn products due to the rigidity of short blades, increasing the productivity, improving the quality of treated surfaces, as well as reducing the energy consumption, relatively light weight and dynamic balance of the main units with increased mobility of equipment and the absence of a massive foundation.
For citation: Blokhin М.A., Podlesny D.A., Rodionov O.A. Solving the Problem of Reducing the Influence of Lateral Force on the Saw Blade Stability. Lesnoy Zhurnal [Russian Forestry Journal], 2020, no. 2, pp. 118–128. DOI: 10.37482/0536-1036-2020-2-118-128

Keywords: saw module, saw block, oscillation frequency, dynamic stability, lateral force, thickness variation.

Поступила 28.06.19 / Received on June 28, 2019