Модернизация фрезерно-брусующего станка ФБС-400

ВВЕДЕНИЕ

Лесная отрасль - одна из ключевых в российской экономике. Русский лес и продукты его переработки востребованы в большинстве стран мира. Лесной сектор, включающий выращивание и охрану лесов, а также переработку древесины, может и должен стать приоритетным направлением развития национальной экономики.

Лесной сектор экономики России располагает сегодня огромными неиспользуемыми резервами. Отечественный лесопромышленный комплекс пока еще не вышел на уровень развития, соответствующий национальной ресурсной базе, но в последнее время интерес к отрасли особенно вырос.

ФБС предназначены для получения двух- или четырехкантных брусьев и технологической щепы из горбыльной части бревен. В зависимости от назначения щепы - для производства целлюлозы или древесно-стружечных плит разрабатываются вид, геометрия инструмента и скорость подачи. Качество поверхности брусьев может быть улучшено с помощью подрезных или зачистных пил.

ФБС в комплекте с многопильными ленточнопильными станками-модулями предполагает сразу после обработки части бревна фрезами образование фрезерованных поверхностей получаемого бруса как основных технологических баз, обеспечивающих требуемую точную и надежную ориентацию предмета обработки до полного раскроя на обрезные пиломатериалы, что и позволяет, добиваться более высокой степени автоматизации.

Это, в свою очередь, дает возможность существенно повысить скорость распиловки древесины и благодаря уменьшению ширины пропила обеспечивает больший выход пилопродукции. Ширина пропила при рамной распиловке минимум на 1 мм больше, чем при использовании ленточных пил. Скорость подачи на ленточнопильных линиях в комплекте с ФБС лесозаводов Швеции уже в 1974 г. составляла 50 м/мин, в наши дни - до 90 м/мин.

Комплексная переработка брёвен на пиломатериалы и технологическую щепу в одном станке позволила упростить технологию лесопиления. Вместо потока с двумя лесопильными рамами и обрезным станком появился один агрегат. Отпала операция перемещения и базирования брусьев и досок, значительно повысилась производительность. Также повысилось качество и точность распиловки.

Поставку комплектных фрезернопильных линий на мировой рынок предлагают фирмы Англии, Дании, Германии, Италии, Финляндии, Швеции, Японии, России и несколько фирм США, что отражает поставленную цель на обеспечение повышения производительности распиловки древесины.

1       ОБЗОР ЛИТЕРАТУРНЫХ ИСТОЧНИКОВ

 

1.1 Оборудование фирмы «LINCK» (Германия)

Самый современный и рациональный способ производства пиломатериала. Распил бревен (рисунок 1.1) с диаметром вершины от 12 до 45 см и длиной от 2,50 м до 7,00 м. Скорость подачи до 200 м/мин. Получение от 2 до 4 обрезных боковых досок без использования отдельной обрезной установки. Высокая точность размеров, а также отличное качество поверхности пиломатериала.

Рисунок 1.1 - Схема раскроя на фрезерно-брусующих и круглопильных станках

Фрезерно-брусующий станок VM (рисунок 1.2) в различных вариациях (таблица 1.1), предлагается в качестве станка первого или второго ряда. Станок может быть оборудован двумя главными приводными моторами мощностью до 160 кВт. Перемещение блоков ножевых головок осуществляется на выбор при помощи редукторного двигателя с переключением числа полюсов, серводвигателя или сервоцилиндра.

Рисунок 1.2 - Общий вид фрезерно-брусующего станка VM

Таблица 1.1 -Технические характеристики фрезерно-брусующих станков фирмы «LINCK»

Основные параметры	Наименование модели
	V18	V25/18		V25	V30	V40
Максимальный диаметр бревна, мм	300	400		400	500	650
Минимальный диаметр бревна, мм	80	80		80	80	80
Максимальная длина бревна, м	6	5(6)		5(8)	6(10)	6(12)
Минимальная длина бревна, м	2	2,5		2,5	2,5	2,5
Максимальная высота резания, мм	370	520		520	520	800
Глубина резания ножевой головки, мм	120	125		125	160	160/200
Длина щепы, мм	25	25		25	25	25
Минимальное расстояние между ножевыми головками, мм	60	60	60		60		60
Скорость подачи, м/мин	50	70	70		70		70
Масса, кг	9000	11000	14000		17000		27000

1.2 Оборудование фирмы «HEINOLA» (Финляндия)

Фирма «HEINOLA» производит фрезерно-брусующие станки, модели РН 700 (рисунок 1.3), обеспечивающие получение двухкантного бруса и технологической щепы с длиной волокон 15-25 мм, и оснащенные малоножевыми торцово-коническими фрезами (число ножей 3-6) с зачистными пилами. Диаметр пропускаемых бревен 100-700 мм, скорость подачи 30-90 м/мин, глубина фрезерования 163 мм, высота пропила до 500 мм, ширина фрезерования до 430 мм, мощность привода 2 х 132 кВт. ФБС модели «РН 700» может применяться как самостоятельно, так и как модуль в комплекте с круглопильными и ленточнопильными станками.

Так же производит фрезерно-брусующие станки для переработки бревен с максимальным диаметром до 400 мм, обеспечивающие получение двухкантного бруса со скоростью подачи до 60 м/мин.

Фрезернопильные агрегаты для распиловки двухкантных брусьев на базе ФБСи многопильного одновального (до высоты бруса 150 мм), или двухвального (до высоты бруса 225 мм) круглопильного станка. Скорость подачи 65 м/мин, ширина пропила 3,8 или 4,2 мм, макс, мощность привода 200-315 кВт.

Рисунок 1.3 - Общий вид станка РН 700

 

1.3 Оборудование фирмы «SODERHAMN+ERIKSSON» (Швеция) входит в концерн «SAWTEC»

Производит фрезерно-брусующий станок модели 240 (рисунок 1.4), предназначенный для фрезерования бревен и получения двухкантного бруса или шпал, а также технологической щепы с длиной волокон 16-25 мм. Два шпинделя с торцово-коническими фрезами установлены на цилиндрические направляющие, поверхность которых специально обрабатывается и покрывается толстым слоем твердого нихрома для защиты от износа и от коррозии. Фрезерно-брусующий станок модели 240 (таблица 1.3) предназначен для окантовки бревен перед их дальнейшей распиловкой, а также для выпиливания стропил и шпал. Фрезерование обеспечивает следующие преимущества:

Упрощение дальнейшей обработки на линии распиливания.

Повышение производительности пильных машин.

Экономию четырех пропилов, при которых образуется щепа, а не опилки.

Устранение необходимости транспортировки и рубки горбылей.

Окантовочные машины 240 изготовляется двух размеров:

Тип 240-12 предназначен для тонкомерного лесоматериала.

Тип 240-15 предназначен для крупномерного лесоматериала

Таблица 1.3 - Технические данные

Параметры	Тип 240-12	Тип 240-15
Вес, кг	2800	5800
Производительность
Максимальная скорость подачи:
- с двухспиральными дисками, м/мин	35
- с трехспиральными дисками, м/мин	52	52
Максимальное число оборотов рубильных дисков, об/мин.	700	700
Макс. расстояние между дисками, мм	400	400
Мин. расстояние между дисками, мм	0	0
Макс. диаметр бревен, мм	500	600
Макс. окантовка, мм	2×150	2×190
Размеры щепы, мм	Параллельно рубленая щепа
	5-25	5-25

Механизмы резания ФБС модели 240 в зависимости от условий реализации продукции и требований к пиломатериалам и технологической щепе могут оснащаться торцово-коническими фрезами различных конструкций. Фирма "Содерхамн» может комплектовать ФБС 240 четырьмя типами торцово-конических фрез:

фрезы со ступенчатой поверхностью конуса;

фрезы со спиральной поверхностью конуса;

фрезы со спиральной поверхностью конуса и поворотными (вращающимися) рубильными ножами;

комбинированные фрезы со ступенчатой поверхностью конуса и с зачистной дисковой пилой.

Усовершенствованные модели станков CHIPCANTER - фрезерно-брусующий станок 2500 и фрезерно-брусующий станок 240-12 (рисунок 1.5).

Рисунок 1.4 - Общий вид ФБС модели 240

Рисунок 1.5 - Общий вид ФБС модели 240-12

Фрезерно-брусующие станки 2500 и 240-12 - это сверхмощные фрезерующие станки «экстра-класса» от СодерхамнЭрикссон. Станки 2500 и 240-12 (таблица 1.4) производят первоклассную целлюлозную щепу и брус с гладкими поверхностями высочайшего пильного качества и исключительной точностью размеров. Фрезерно-брусующие станки 2500 и 240-12 могут использоваться как отдельные модули или комбинироваться с дисковыми или ленточнопильными станками. Благодаря богатому набору приспособлений, фрезерно-брусующие станки 2500 240-12 могут использоваться для обработки бревна и бруса, прямо- и криволинейного пиления, на скоростях до 150 м/мин. Все эти достоинства, собранные в этих, опробованных временем машинах, дают универсальные возможности фрезеровки и обеспечивают высочайшую доходность предприятия.

фреза щепа нож шпиндель

Таблица 1.4 - Технические характеристики фрезерно-брусующих станков 2500 и 240-12

Основные параметры	2500		240-12
Диаметр бревна, мм	90 - 700		90-500
Скорость подачи, м/мин	25 - 150		25-90
Диаметр фрезерующих дисков, мм	1460		1250
Типы фрезерующих дисков	Комби Компакт, Комби Спирал
Макс фрезерование, мм	2 × 190	2 × 150
Позиционирование	Гидравлические линейные позиционеры
Мощность головных моторов, кВт	2·75-2·160			2·75-2·160
Масса (средняя), кг	11000			5000

Производит фрезерно-ленточнопильный агрегат модели 247 (рисунок 1.6), предназначенный для переработки бревен и брусьев на необрезные пиломатериалы, брусья и технологическую щепу. Может применяться в технологических линиях лесопильных цехов как с сортированным, так и с несортированным пиловочником.

Рисунок 1.6 - Общий вид ленточнопильного модуля модели 247

Основу агрегата составляют 2 торцово-конические фрезы (рисунок 1.7), используемые обычно в ФБС фирмы «Содерхамн» и 2-3-4 ленточнопильных станка-модуля, выпиливающих 2-3-4 боковые доски, т.е. определяющих количество требуемых пропилов.

Агрегат может поставляться и без торцово-конических фрез и использоваться только как распиловочный агрегат 2-го ряда.

Узел фрезерования горбыльной зоны бревен/брусьев может быть оснащен торцово-коническими фрезами со спиральными, ступенчатыми или комбинированными дисками, обеспечивающими высококачественную кондиционную технологическую щепу.

Ступенчатые диски торцово-конических фрез имеют обычно 5 концентрических ступеней и дают щепу длиной 16-25 мм:

с 3-мя ножами на каждой ступени используются при скоростях подачи в диапазоне 24-65 м/мин;

с 4-мя ножами на каждой ступени используются при скоростях подачи в диапазоне 39-90 м/мин;

с 6-ю ножами на каждой ступени используются при скоростях подачи в диапазоне 48-100 м/мин;

спиральные диски торцово-конических фрез обеспечивают получение качественных параллельных срезов у технологической щепы. При наличии 3-х спиралей длина щепы составляет 20-25 мм при скоростях подачи в диапазоне 24-52 м/мин;

плоская центральная зона усеченного конуса фрезы оснащается сменным диском с зачистным ножом или ножами, подстрагивающими пласть бруса. Ступенчатые диски торцово-конических фрез вместо центрального сменного диска с ножами могут оснащаться зачистной дисковой пилой. В этом случае скорость подачи не должна превышать 65 м/мин.

Рисунок 1.7 - Компоновка фрезернопильного агрегата модели 247: а - компоновка, б - общий вид конструкции

Распиловочный узел агрегата оснащается требуемым количеством ленточнопильных станков-модулей. Каждый ленточнопильный модуль представляет собой самостоятельный ленточнопильный станок, станина которого смонтирована не жестко на фундаменте, как в классических вариантах, а установлена на специальные поперечные цилиндрические направляющие.

Производит фрезерно-ленточнопильный агрегат модели 245 (рисунок 1.8), предназначенный для переработки бревен и брусьев на необрезные пиломатериалы, брусья и технологическую щепу. Может применяться в технологических линиях лесопильных цехов как с сортированным, так и с несортированным пиловочником.

Основу агрегата составляют 2 торцово-конические фрезы, используемые обычно в ФБС фирмы «Содерхамн» и 2-3-4 ленточнопильных станка-модуля, отпиливающих 2-3-4 боковые доски от получаемого после фрез бруса. Агрегат может поставляться и без торцово-конических фрез и использоваться только как чисто распиловочный агрегат 2-го ряда, распиливающий уже двухкантный или четырехбитный брус (таблица 1.5).

Таблица 1.5 - Техническая характеристика фрезерно-ленточнопильных агрегатов

Основные параметры	Наименование модели
	Модель 247	Модель 245		Логмастер		Супер 40
Диаметр торцово-конических фрез, мм	1460	1460		1460		1250
Количество руб. ножей, шт.	2x114	2x114		2x114		2x90
Макс. глубина фрезерования горбыльной зоны бревна или бруса,мм	2x190	2x114		2x190		2x150
Диаметр пильных шкивов, мм	1524	1500		1800		1400
Ширина пильных шкивов, мм	229; (190)	210; (170)		210; 230		150
Ширина ленточных пил, мм	150-250	125-206		180-255		130-160
Толщина ленточных пил, мм	1,47	1,25-1,47		1.47-1,82		1,07-1.47
Стандартная длина ленточных пил, мм	9990	9870		11300		8760
Макс. диаметр распиливаемого бревна, мм	600	600		750		400
Расстояние между фрезами симметричных модулей, мм: максимальное минимальное	450 0	450 0		670 68		-
Расстояние между пилами сим- метричных модулей, мм: максимальное минимальное	-	483 75		-		-
Длина щепы, мм	-	16-25				20-25
Частота вращения пильного шкива, об/мин	540	440
Скорость резания, м/с	43.08	35		45		36
Скорость подачи, м/мин	24-100	30-65		до 120		50/33; 42/28
Мощность привода. кВт: ленточнопильных модулей торцово-конических фрез	75 90	55-90 75-160		90-130 90		45 2 х. 55/37
Масса, кг; пильного узла фрезерного узла фундаментной плиты	5600 2200 3500		2х7000 2200 -		7500 6000 -		3750 2х2400 3650
Габариты, мм: длина (4 модуля ЛПС) ширина высота	3585 6120 4150		4260 4290 4500		4500 5800 5500		3680 4400 3900
Диаметр гидропозиционера механизма перемещения фрез и пильных модулей, мм	-		-		300		-

Рисунок 1.8 - Общий вид конструкции фрезернопильного агрегата модели 245

 

1.4 Отечественные производители

Линия модели ЛФП-1 (рисунок 1.9), для переработки бревен, создана Вологодским Станкостроительным заводом на базе двух фрезерно-брусующих станков модели ФБ-2, четырех ленточнопильных модулей модели ЛБ 150 и многопильного двухвального круглопильного станка модели Ц12Д-1.

Рисунок 1.9 - Схема линии модели ЛФП-1

Линии ЛАПБ-2, ЛФП-1, ЛФП-2, ЛФП-3 и ЛФП-4, созданы на базе фрезернопильных агрегатов (таблица 1.6). В линии ЛАПБ-2 применен способ раскроя вразвал, а в линиях ЛФП-1 и комплекте линий ЛФП-2, ЛФП-3 и ЛФП-4 - с брусовкой, при этом на линии ЛФП-2 раскраивают бревна, а на линии ЛФП-3 и ЛФП-4 - брусья. Линии ЛАПБ-2, ЛФП-2 и ЛФП-3 оснащены круглопильными узлами резания. В линии ЛФП-1 для распиловки бревен используют счетверенный ленточнопильный станок, а для распиловки брусьев - многопильный круглопильный станок. В линии ЛФП-4 для распиловки бревен и брусьев используют счетверенный ленточнопильный станок. В узлах фрезерования линии ЛАПБ-2 применены однорезцовые и шестирезцовые цилиндрические фрезы, в линиях ЛФП-1, ЛФП-2, ЛФП-3 и ЛФП-4, малорезцовые торцово-конические фрезы.

Таблица 1.6 - Технические характеристики фрезернопильных линий

Параметры	ЛАПБ -2	ЛФП -1	ЛФП-2	ЛФП-3	ЛФП-4
Диаметр перерабатываемых бревен, см	12-18	20-30	10-24	-	14-52
Толщина перерабатываемых брусьев, см	-	-	-	10-18	-
Длина бревен (брусьев), м	4-7,5	4-7	3-7,5	3-7,5	3,75-5,5
Скорость подачи, м/мин	24; 30; 36;	48	48-72	48-80	24-72
Установленная мощность, кВт	389.0	784.8	281.5	333.0	3185

Фрезерно-брусующий станок конструкции Архангельского лесотехнического института (рисунок 1.10) имеет технологическую схему аналогичную схеме станка ФБС-750. Одно из отличий состоит в конструкции фрез. В первом применены многоножевые торцово-конические фрезы 2 с зачистиыми элементами, а во втором малоножевые фрезы с зачистными пильными дисками. Впередистаночное устройство выполнено в виде «горки».

В конструкцию «горки» фрезерно-брусующего станка ФБС-750 введен дополнительный прижимной ролик.

Рисунок 1.10 - Технологическая схема фрезерно-брусующего станка конструкции Архангельского лесотехнического института

Фрезерно-брусующие станки конструкции Лобвинского лесокомбината (рисунок 1.11) и Петрозаводского СКТБ по технологической схеме практически идентичны между собой. В качестве впередистаночного устройства в них использован бревноподатчик. Он выполнен в виде двух длинных цилиндров с продольными заостренными ребрами. Между цилиндрами в направляющих расположен упор 2, совершающий возвратно-поступательное движение и подающий бревно в станок. Цилиндры с ребрами выполняют поворот бревна в требуемое положение и его базирование

Рисунок 1.11 - Технологическая схема фрезерно-брусующего станка конструкции Лобвинского лесокомбината

Установка фрезерно-брусующая УФ-16 (рисунок 1.12). Установка предназначена для получения из тонкомерного сырья двухкантных брусьев и технологической щепы методом глубокого фрезерования древесины торцово-коническими фрезами. Фрезерование попутное. Подача осуществляется комбинированным вальцово-цепным подающим механизмом, гарантирующим надежное закрепление и прямолинейное строго перпендикулярное оси фрезерного вала движение бревна в процессе распиловки. Фрезы станка расположены попарно на двух подвижных суппортах. Привод подачи от электродвигателя. Установка суппортов производиться вручную (таблица 1.7).

Рисунок 1.12 - Технологическая схема установки фрезерно-брусующей УФ-16

Таблица 1.7 - Техническая характеристика УФ-16

Характеристика распиливаемого сырья	Данные
- диаметр в вершине, мм	100...160
- наибольшая длина, мм	6500
Скорость подачи, м/мин	24, 36, 50
Габариты, мм
- длина	2800
- ширина	3100
- высота	2200	3800
Суммарная мощность всех электродвигателей, кВт	78

Линия ЛАПБ-2М Вологодского Станкостроительного завода (рисунок 1.13).

Российским аналогом данных линий является линия агрегатной переработки брёвен ЛАПБ-2М, выпускаемая Вологодским станкостроительным заводом.

Рисунок 1.13 - Общий вид линии агрегатной переработки брёвен ЛАПБ-2М

Линия агрегатной переработки брёвен модели ЛАПБ-2М - это новейшая техника, не имеющая аналогов в странах СНГ (таблица 1.8), предназначена для переработки фрезернопильным способом окорённых мелких и средних круглых лесоматериалов хвойных пород на пиломатериалы и технологическую щепу.

Её достоинства:

передовая технология переработки древесины;

высокая производительность;

простота обслуживания (всего 2 человека).

Таблица 1.8 - Техническая характеристика ЛАПБ-2М

Параметры	Величина
Диаметр перерабатываемого бревна, см: в вершине, наибольший в вершине, наименьший в комле, наибольший	18 10 28
Длина перерабатываемого бревна, м: наименьшая наибольшая	3 6,5
Ширина вырабатываемой доски, мм: центральной боковой	75, 100, 125, 150 75, 100, 125
Толщина вырабатываемой доски, мм: центральной боковой	32, 40, 44, 50, 60 19, 22, 25
Наибольшее количество выпиливаемых досок, шт.	4
Пропускная способность (при диаметре бревна 16 см, длине 5,5 м., скорости подачи 0,83 м/мин), брёвен/мин.	7,5
Наибольшее количество пил в поставе, шт.	5
Наибольшая высота пропила, мм	155
Диаметр пилы, мм	630
Толщина пилы, мм	2,8 - 3,0
Норма обслуживания линии, чел.	2
Габариты, мм: длина ширина высота	35000 5435 2370
Общая масса линии, кг	44500
Установленная мощность, кВт	462

Фрезерно-брусующий станок ФБС-400.

Фрезерно-брусующий станок ФБС-400 предназначен для переработки горбыльной части бревна в щепу и для формирования сечения пиломатериала (таблица 1.9). Станок состоит из двух одинаковых по конструкции и симметрично расположенных относительно оси просвета станка фрезернопильных суппортов пинольного типа, на которых закреплены режущие головки с торцово-коническими фрезами и зачистными пилами. Каждый суппорт представляет собой полый вал с закрепленной на нем смонтированной в радиально-упорных шарикоподшипниках режущей головкой в подвижной цилиндрической пиноли. Перемещение головок на размер обработки происходит с помощью гидропозиционеров. По командам оператора с дистанционного пульта управления расстояние между режущими головками может изменяться в интервале 70... 400 мм с дискретностью 5 мм. Режущие головки приводятся во вращение от индивидуальных электродвигателей и через повышающие клиноременные передачи. Ведомый шкив передачи смонтирован на консольной опоре и передает крутящий момент режущим головкам с помощью шлицевого валика, который входит в шлицевую втулку полого вала.

Механизм подачи состоит из цепного транспортера, направляющих и вытяжных вальцов. Вытяжные вальцы приводятся от индивидуального асинхронного электродвигателя. Станок работает с постоянной скоростью подачи 80 м/мин, которая обеспечивает получение технологической щепы с заданными параметрами (Sz=22,22 мм).

Таблица 1.9 - Техническая характеристика ФБС-400

Наименование параметра	Величина
Минимальный диаметр бревна в вершине, мм.	100
Максимальный диаметр бревна в комле, мм.	550
Длина наибольшая, мм	6500
Длина наименьшая, мм	3000
Минимальная толщина выпиливаемого бруса	70
Максимальная толщина выпиливаемого бруса	400
Максимальная глубина фрезерования, мм/сторона	150
Максимальная высота фрезерования над уровнем подачи, мм	400
Частота вращения фрез, об/мин	600..900
Скорость подачи бесступенчатая, м/мин	20..80
Габаритные размеры, мм
Длина	2000
Ширина	3380
Высота	2345
Масса, кг	6500

2       ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАВИСИМОСТИ РАЗМЕРОВ ЩЕПЫ ОТ КОЛИЧЕСТВА НОЖЕЙ И СКОРОСТИ ВРАЩЕНИЯ ФРЕЗЕРНОЙ ГОЛОВКИ

 

2.1 Щепа

Основная функция лесопилки состоит в получении как можно большего количества (объема) дерева из поленьев в первоначальной стадии обработки. После поперечной распиловки и удаления коры с дерева, полена выравнивают слябингом. В ходе этой операции (процесса) изначальный объем полена сокращается на 30 % за счет щепок. Полученная щепа (стружка) используются в основном на целлюлозно-бумажной промышленности для изготовления бумаги и ДВП. Щепу также используют в качестве источника энергии. Процесс разделения волокна является основным в целлюлозно-бумажной промышленности. Этот процесс может быть механическим, химическим или включать в себя сразу два вида обработки. Распределение щепы по крупности влияет на эффективность всего процесса. Например, при химической обработке продолжительность варки зависит от процента содержания лигнина в дереве. Лигнин распадается под воздействием жидкости. В щелочной среде жидкость равномерно проникает в щепу. Так толщина щепы (когда она увеличится в размере) определит продолжительность варки. Однако в отличие от толщины стружки, длина и ширина стружки может отслеживаться (контролироваться) за счет кинетических параметров конической фрезы. Поэтому требуется установка определяющих параметров по отношению к толщине стружки.

Существует две точки зрения на данную проблему. Первая основывается на макроскопическом аспекте (учете). Для того, чтобы воссоздать реальные условия, используются промышленные материалы для эксперимента со щепой с целыми поленьями со скоростью обработки (резки) 3600 m/min. Тестируемые параметры: кинематический разрез, геометрические параметры инструмента, расположение бревна и его параметры (бревна). Произведенная щепа фиксируется, наблюдения проводятся относительно размера бревна. Вторая точка зрения касается мезоскопических характеристик. Эксперимент с получением щепы из образцов древесины выполняется на специальном аппарате (приборе) в квазистатическом состоянии (рисунок 2.1). Тестируемые параметры остаются прежними, что и в макроскопическом процессе. Особое внимание заслуживает область рядом с острием. Чтобы понять явление получения щепы, анализируются размеры частиц древесной щепы, усилие резания, классификация аварий и повреждений, поле деформаций и поле механических напряжений.

Рисунок 2.1 - Натуральные и лабораторные эксперименты

Анализ деления щепы начинается с тщательного осмысления параметров кинематического разреза конической фрезы и взаимодействия ножа и полена (бревна). Явление деления щепы изучается экспериментально на втором этапе в изменяющихся условиях. Определяющие параметры должны быть установлены с учетом разнообразия материала и динамичных (изменчивых) свойств пористых материалов.

 

2.2 Материалы и метод

Для того чтобы лучше понять физическую сторону процесса деления щепы, мы исследовали два направления (аспекта):

Геометрические и кинематические учения для того, чтобы точно определить рабочие условия, размеры экспериментальной конструкции.

Эксперимент с делением щепы в меняющихся условиях.

 

2.3 Геометрические и кинематические изучения

Брусующий станок имеет конусообразную фрезу с особым приспособлением для обработки (полотно пилы или отделочные ножи). Коническая фреза с пазами для ножей типа CT700 (рисунок 2.2) просты и широко распространены. Брусующие станки использовали для разработки основной и параметризованной конической фрезы в программе Mathematica. Программная продукция заключается в отображении возможных вариаций относительно кинематической стороны процесса резки, силы резки, кинематических углов и направления волокон (направление волокон - это угол между режущей плоскостью и направлением продольного волокна).

Рисунок 2.2 - Пример конической фрезы

В целях соотнесения с машиной терминологией и проведения очевидной взаимосвязи с экспериментальными инструментами, углы заточки резца были стандартизированы. Были введены следующие параметры:

Кинематические параметры: скорость срезания V c, питание (подача) и отклонение

Поленья: минимальный размер радиуса бревна (R logmin), тип бревна (LogTape), отклонение по вертикали между тележкой (кареткой) и осью конусообразной фрезы брусующего станка. Конусообразная фреза: диаметр фрезы (R Headmin), количество ножей, пажей (пластин), длина ножа (L knife), угол наклона режущей кромки инструмента (κ r), угол наклона режущей кромки (λ s), нормальный главный передний угол γ n, нормальный угол заострения (β n), нормальный задний угол (α n).

 

2.4 Эксперименты с делением щепы

Эксперименты с делением щепы были проведены на маятнике Шардена (рисунок 2.3). Он был использован для того, чтобы получить оборудованный инструментами опыт прямоугольной резания для того, чтобы охарактеризовать усилие резания древесины в случае с сухостоем. Маятниковый рычаг - 1.2 метра в длину, весом 36 килограммов. Доступная (наличная) кинематическая энергия составляет 776 Дж при максимальной скорости обработки 400 м/мин. Держатель образца на конце маятникового рычага составлял 140 миллиметров в длину. Была использована терминология прямоугольного резания (f - подача в минуту и b - ширина резания в минуту). Переданная энергия достаточно высока для обработки щепы (f = 30mm, b = 30mm при длине резания 140mm).

Устройство крепления инструмента было разработано и произведено в LaBoMaP (LaboratoireBourguignondesMatériauxetProcédés) с целью использования промышленного ножа. Нормальный главный передний угол установлен на уровне 45˚, нормальный задний угол - α n = 5˚,          нормальный угол заострения - β n = 40˚. Устройство крепления зафиксировано на пьезоэлектрическом датчике для измерения усилия Kistler 9257A: F zmax = 10 kN и f 0 ’ 4 kHz. Усилитель Kistler 5019A, пограммное обеспечение Dasylab, высокоскоростная съёмочная камера Phantom v9.1.

Рисунок 2.3 - Эксперименты по образованию щепы

Экспериментальная разработка действовала согласно следующим показателям: подача (f= 6, 10, 14 mm), ширина резки (b = 6, 10, 14mm), направление волокна дерева (GD = 70, 90, 110). Нами также было выбрано два вида дерева: бук ввиду его однородности и дуглосовая пихта ввиду неоднородности и низкого уровня механической обрабатываемости. Содержание влажности подсчитывается после опытов техникой вдвое больше весом. Каждый набор показателей повторялся по 5 раз. В качестве образцов были получены бруски из свежесрубленной березы и дуглосовой пихты. Образцы были помещены в холодильник для ограничения уровня снижения влажности.

Согласно предварительным экспериментам, было затрачено большее количество энергии, чем полагалось. Маятник Шардена не представлялся эффективным для резания древесины объемом 400 mm2.

 

2.5 Результаты и анализ

Следующие показатели (величины) были введены в программу: R Headmin= 320 mm, L knife = 60 mm, κ R = 45˚ , λ S = 0˚ , Hcarriage = 300 mm, Rlogmin = 350 mm, LogTape = 1%, fz = 28 mm, N = 550 tr/min, Cant = 500 mm, γ n = 45˚ , β n = 40˚ , α n = 5˚ (рисунок 2.4).

        

Рисунок 2.4 - Результаты программы

Нам удалось пронаблюдать процесс резания древесины с кинематической точки зрения, в том числе и взаимодействие каждой пластины (ножа) с материалом. Сила резания (нормальное сечение (под прямым углом) относительно направления пластин к режущему лезвию) была вычислена при любом расположении пластин. Результаты относительно силы резания были подтверждены геометрической моделью в программе Catia. Разница между двумя этими моделями составляет меньше 5 процентов за счет дискового ножа в программе Catia вместо циклоидного. Показатели кинематических углов были также зафиксированы. Ввиду высокой скорости подачи (сырья), резания и угла укрытия, нормальные задние углы различаются лишь на 4˚ с учетом углов заточки резца. Направление волокон будет увеличиваться постепенно в течение резки, начиная с угла наклона в 35˚, когда пластина 2 первого типа врезается в древесину и меняет угол наклона до 120˚. Направление волокон находится на уровне 90˚, когда пластина расположена на той же высоте, что и ось конусообразной фрезы. Когда пластина поднимается выше, происходит срез поперек волокон (GD < 90˚ ). По причине таких разительных изменений, направление волокон рассматривалось как показатель в течение экспериментальной части. Нехватка определенной информации и подходящего давления при резке или точного соблюдения закона резки, действующего при ориентировке волокна, предотвращает вычисление силы резания древесины от нагрузки при резании.

2.6 Результаты опыта

Процесс деления щепы возможен для бука и дуглосовой пихты, если направление волокна выше 90˚. Явление деления щепы соответствует наблюдениям, опубликованным МакКензи. Во-первых, режущее лезвие сгибает древесные волокна. Процесс сгиба происходит по причине деформации клеточной стенки. Когда клетка разрушается, волокна разрываются. Приспособление продолжает процесс резки древесины, что способствует нанесению механического раздражения материалу. Когда давление выше усилия резания, происходит расслаивание волокон, что влечет за собой выделение избыточной влаги. Такое выделение влаги возможно в случае, когда степень влагосодержания превышает 30%. Когда угол направления волокна ниже 90˚ , большие древесные частицы повреждаются по причине давления на волокна. Клеточные стенки щепы сжимаются, выделяется избыточная влага. Нам также удалось пронаблюдать еще одно явление: расслоение между годичными кольцами у дуглосовой пихты. Это возможно при наличии только нескольких годичных колец у образца. У дуглосовой пихты поздняя древесина плотнее ранней. Происходит резкий переход от поздней древесины к ранней. Мы полагаем, что расслаивание, происходящее между годичными кольцами, требует меньшей затраты энергии, нежели расслаивание сквозь волокон и между ними. Некоторые образцы нуждаются в большем количестве годичных колец для подержания необходимой толщины с целью получить более однородный материал. В случае с отдельно взятой породой древесины, необходимо соблюдать соотношение f/b.

Согласно квазистатическому тесту по резке древесины, средний показатель толщины щепы (бруска) пропорционален подаче материала (сырью) и не зависит от ширины реза. С прежними показателями щепа дуглосовой пихты остается большей по толщине, нежели щепа бука. Это можно объяснить более высокой плотностью бука (ρ beech ’ 0.7, ρ douglas ’ 0.45), что приводит к высокой жесткости.

Хотя образцы обрабатывались на таком же брусующем станке, в то же время и опыты проходили подряд, была отмечена разница в показателях влагосодержания, зафиксировать которые можно было только по истечении опытов (20 - 60% - дуглосовая пихта и 30 - 90% - бук). Объяснением такому явлению может быть быстрое высыхание самых тонких по толщине образцов (пара часов).

Движение маятника Шардена вызывает появление 7 разных направлений волокна при резке. Изучение изменения толщины щепы в течение резки на высокочувствительной пленке показывает, что изменение направления волокна весьма незначительно в данном масштабе.

Среднее значение показателей силы резания было зафиксировано пьезоэлектрическим датчиком для измерения силы. Полученные показатели были близки показателям силы полученными Хеллстромом, Градиным. Максимум силы соответствует частотности резки. Однако показатели частотности резки находились на более высоком уровне, чем показатели датчика диапазона частот. Как следствие, нам не удалось подтвердить в динамических условиях результаты, а именно увеличение линейной силы от момента врезания ножа (пластины) до момента получения готового материала.

 

2.7 Выводы и дальнейшая работа

Для улучшения эффективности целлюлозно-бумажной промышленности необходимо контролировать распределение брусков (щепы) по размерам (таблица 2.1). Для более ясного представления о процессе добывания брусков (щепы) из сырой древесины опыты проводились в динамических условиях, были использованы две оси.

Для исследования влияния геометрических и кинематических показателей на силу резания и кинематические углы была разработана типовая параметризуемая модель конусообразной фрезы. Опытное приспособление было разработано в соответствии с результатами и использовано в динамичном опыте на резку древесины (рисунок 2.5). Результаты экспериментального проектирования соотносятся с квазистатическими условиями. Форматная фотоплёнка позволяет проследить за выделением избыточной влаги в процессе резки. Другие явления данного процесса были также зафиксированы (расслаивание между годичными кольцами). Последующая работа и изучение позволят улучшить нашу методику. Новое экспериментальное проектирование должно быть спланировано таким образом, чтобы найти другие определяющие параметры по отношению к толщине бруска. Следует использовать новый динамометрический датчик с более высокими показателями интервалов частотности, а также высокоскоростную съёмочную камеру. Использование модели для производства брусков по методу дискретного элемента поможет более точно понять и предугадать все явления процесса резки (рисунок 2.6).

Таблица 2.1 - Размер щепы в зависимости от кинематических параметров станка

n\Z	Z =2	Z =3	Z =4	Z =6
700	57,14	38,1	28,57	19,05
800	50	33,33	25	16,67
900	44,44	29,63	22,22	14,81
1000	40	26,67	20	13,33
1100	36,36	24,24	18,18	12,12
1200	33,33	22,22	16,67	11,11
1300	30,77	20,51	15,38	10,26
1400	28,57	19,05	14,29	9,52
1500	26,67	17,78	13,33	8,89
1600	25	16,67	12,5	8,33

Рисунок 2.5 - Образование щепы

Рисунок 2.6 - Зависимость размеров цепы от скорости вращения и числа ножей

3       МОДЕРНИЗАЦИЯ ФРЕЗЕРНО-БРУСУЮЩЕГО СТАНКА ФБС-400

 

3.1    Расчет режимов резания до модернизации

 

.1.1 Расчет режимов резания для подрезной пилы

Находим окружной шаг зубьев пилы

                                                           (1)

Высота пропила при формировании пласти бруса

         (2)

Угол контакта пилы с бревном

                                              (3)

Угол встречи зубьев пилы с волокнами древесины

                 (4)

Длина дуги контакта пилы с заготовкой

                                                      (5)

Ширина пропила

                                                          (6)

Скорость главного движения

                                                 (7)

Фиктивная сила резания для древесины сосны

                                (8)

Удельное сопротивление резанию при пилении

                                          (9)

где  - угол резания зуба, град; V' - условная скорость резания, м/с, причем если V < 50 м/с , то V' = (90 - V ), иначе V' = V, где V - скорость главного движения.

Величина затупления режущей кромки зуба

                   (10)

Коэффициент затупления зуба пилы при = 10 мкм

                         (11)

При подаче на зуб фрезы Szф = lщ = 22.22 мм найдем скорость подачи бревна

                              (12)

Подача на зуб пилы

                                        (13)

Толщина срезаемого слоя

                                                    (14)

Удельная сила резания при продольном пилении

                         (15)

Мощность пиления

                                      (16)

3.1.2 Находим размеры фрезеруемого сегмента

Радиус поперечного сечения на середине длины бревна

                                      (17)

Уголa:

                                            (18)

Площадь сегмента

             (19)

Ширина сегмента, равная средней ширине фрезерования

                         (20)

Средняя высота срезаемого слоя

                                                           (21)

 

3.1.3 Расчет режимов резания для конической фрезы

Расчеты представлены на рисунках 3.1 и 3.2.

Рисунок 3.1 - Размеры срезаемого слоя при пилении

Рисунок 3.2 - Схема к расчету ширины и высоты фрезерования

Скорость главного движения при фрезеровании

                                                      (22)

Угол встречи зубьев фрезы с волокнами древесины

(23)

Угол контакта зуба фрезы с древесиной

                                                                  (24)

Длина дуги контакта фрезы с заготовкой

                                                  (25)

Режущая кромка конической фрезы выполняет продольно-поперечно-торцовое резание с углами φн = 60º (острый угол между режущей кромкой и волокнами древесины), φв = 68,75º

Фиктивная сила резания

 (26)

Касательное давление срезаемого слоя на переднюю поверхность зуба фрезы при продольно-поперечно-торцовом резании

               (27)

Величина затупления режущей кромки зуба

            (28)

Коэффициент затупления зуба пилы при  = 6 мкм

                          (29)

Толщина срезаемого слоя при фрезеровании

                           (30)

Удельная сила резания при фрезеровании

                      (31)

Мощность фрезерования при длине режущей кромки зуба bзф = 15 мм

                                           (32)

Общая мощность на пильно-фрезерном шпинделе равна

                                                       (33)

 

3.1.4 Расчет шпинделя на кручение и изгиб

Расчет представлен на рисунке 3.3.

Рисунок 3.3 - Схема и эпюра изгибающих моментов

Из расчетов сил резания получаем;

                                (34)

Из чертежа фрезерно-пильного механизма нам известны расстояния:

Произведем необходимые расчеты.

;                                                                                        (35)

;                                                                             (36)

                                               (37)

;                                                                                        (38)

                                                   (39)

            (40)

                                                                                            (41)

                                                                                   (42)

                                      (43)

                                                (44)

                                (45)

      (46)

Определим максимально допустимый крутящий момент на валу фрезерно-пильного узла и проверим, превысит или нет значение существующего момента.

                    (47)

где:  - предел прочности материала,  МПа;

D - больший диаметр вала, мм;

d - меньший диаметр вала, мм.

Определим значение существующего момента.

                                                                                (48)

                                                                (49)

где:  - общая мощность пиления и фрезерования, кВт;

 - частота вращения электродвигателя, об/мин.

Крутящий момент при максимальной толщине обработки не превышает допустимого.

3.2 Расчет режимов резания для сварной торцово-конической фрезы

 

3.2.1 Расчет режимов резания для подрезной пилы

Находим окружной шаг зубьев пилы

                                                                   (50)

Высота пропила при формировании пласти бруса

                   (51)

Угол контакта пилы с бревном

                                              (52)

Угол встречи зубьев пилы с волокнами древесины

             (53)

Длина дуги контакта пилы с заготовкой

                                                            (54)

Ширина пропила

                                                           (55)

Скорость главного движения примем равной 50 м/с, тогда найдем число оборотов

                          (56)

Фиктивная сила резания для древесины сосны

                                (57)

Удельное сопротивление резанию при пилении

                                                            (58)

где  - угол резания зуба, град; V' - условная скорость резания, м/с, причем если V < 50 м/с , то V' = (90 - V ), иначе V' = V, где V - скорость главного движения.

Величина затупления режущей кромки зуба

       (59)

Коэффициент затупления зуба пилы при = 10 мкм

                       (60)

При подаче на зуб фрезы Szф = lщ = 13,33 мм найдем скорость подачи бревна

                              (61)

Подача на зуб пилы

                                      (62)

Толщина срезаемого слоя

                                                (63)

Удельная сила резания при продольном пилении

    (64)

Мощность пиления

                                           (65)

3.2.2 Находим размеры фрезеруемого сегмента

Радиус поперечного сечения на середине длины бревна

                                      (66)

Угол a:

                                            (67)

Площадь сегмента

     (68)

Ширина сегмента, равная средней ширине фрезерования

                           (69)

Средняя высота срезаемого слоя

                                                             (70)

3.2.3 Расчет режимов резания для конической фрезы

Скорость главного движения при фрезеровании

                                                   (71)

Угол встречи зубьев фрезы с волокнами древесины

    (72)

Угол контакта зуба фрезы с древесиной

                                                           (73)

Длина дуги контакта фрезы с заготовкой

                                                  (74)

Режущая кромка конической фрезы выполняет продольно-поперечно-торцовое резание с углами φн = 60º (острый угол между режущей кромкой и волокнами древесины), φв = 77,12º

Фиктивная сила резания

             (75)

Касательное давление срезаемого слоя на переднюю поверхность зуба фрезы при продольно-поперечно-торцовом резании

            (76)

Величина затупления режущей кромки зуба

                   (77)

Коэффициент затупления зуба пилы при  = 6 мкм

                     (78)

Толщина срезаемого слоя при фрезеровании

                          (79)

Удельная сила резания при фрезеровании

Мощность фрезерования при длине режущей кромки зуба bзф = 15 мм

                                      (81)

Общая мощность на пильно-фрезерном шпинделе равна

                                                       (82)

Исходя из результатов выбираем электродвигатель АИР 280S4 с характеристиками:

·        Мощность электродвигателя - 110 кВт

·        Частота вращения вала - 1500 об/мин

·        Напряжение 380 В

·        Степень защиты - IP 54

·        Климатическое исполнение - У3

·        Масса электродвигателя - 590 кг

3.2.4 Расчет шпинделя на кручение и изгиб

Расчеты представлены на рисунке 3.4.

Рисунок 3.4 - Эпюра моментов

Из расчетов сил резания получаем;

                                (83)

Из чертежа фрезерно-пильного механизма нам известны расстояния:

Произведем необходимые расчеты.

; (84)

; (85)

                                      (86)

                                                                                         (87)

                                                   (88)

             (89)

; (90)

;                                                                                  (91)

                                      (92)

                                                (93)

    (94)

                                                       (95)

Определим максимально допустимый крутящий момент на валу фрезерно-пильного узла и проверим, превысит или нет значение существующего момента.

                  (96)

где:  - предел прочности материала,  МПа;

D - больший диаметр вала, мм;

d - меньший диаметр вала, мм.

Определим значение существующего момента.

                                                                                (97)

                                                          (98)

где:  - общая мощность пиления и фрезерования, кВт;

 - частота вращения электродвигателя, об/мин.

Крутящий момент при максимальной толщине обработки не превышает допустимого.

3.3    Описание конструкции торцово-конической фрезы

Фрезерная головка ФБС-400 состоит из ступицы, фланца, приваренного к ступице, 8 ножедержателей и двух ободов.

Каждый ножедержатель приварен к ободам и соединительным листам. 4 нижних держателя привариваются к нижнему и центральному ободу. 4 других привариваются к центральному ободу и диску подрезной пилы. Ножи устанавливают на ножедержателях с нижней стороны и крепятся к ним прижимными планками и болтами. Подрезная пила крепится к фрезерной головке на болты с потайными головками. Ножи изготавливают из инструментальной стали.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В представленной выпускной квалификационной работе был произведен обзор лесоперерабатывающего оборудования ведущих мировых производителей, включая: «EWD» (Германия), «LINCK» (Германия), «SODERHAMN» (Швеция), «HEINOLA» (Финляндия).

Было произведено исследование зависимости размеров щепы от скорости вращения и числа ножей, были произведены расчеты режимов резания, произведена оптимизация кинематических параметров, разработана конструкция торцово-конической фрезы и вала пильного механизма и произведены расчеты на его прочность.

Все эти данные свидетельствуют о том, что представленная в данной выпускной квалификационной работе модернизация является оправданной и целесообразной.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1.      Анурьев, В. И. Справочник конструктора машиностроителя: в 3 т. Т.2/ В. И.Анурьев. - 8-е изд. - Москва: Машиностроение, 2001. - 912 с.

.        Боровиков, Е.М. Лесопиление на агрегатном оборудовании / Е. М. Боровиков, Л. А. Фефилов, В. В. Шестаков. - Москва: Лесная промышленность, 1985. - 216 с.

.        Веселков, В. И. Расчет режимов работы деревообрабатывающих станков: методические указания к выполнению расчетно-графических заданий, контрольных работ, курсовых и дипломных проектов / В. И. Веселков, С.М. Щекин. - Вологда: РИО ВоГТУ. - 2006. - 51 с.

.        Гревцов, А. На старом оборудовании далеко нет уедешь, или что ожидает российское лесопиление? / А. Щеглов / / Леспроминформ. - 2006. - №32. - 62-67 с.

.        Грубе, А. Э. Дереворежущие инструменты: учебник / А. Э. Грубе . - 3-е изд., перераб. и доп. - Москва: Лесн. промышленность, 1971. - 344 с.

.        Детали машин. Расчет и конструирование валов: методические указания / [сост.: В. П. Полетаев, А. А. Усов]. - Вологда : ВоГТУ , 2001 24 с.

.        Сметанин, А. В. Архангельское лесопиление: между прошлым и будущим / А. В. Сметанин, В. И. Веселков. - Москва: ДоМира, 2005. - 544 с.

.        Чекмарёв, А. А. Справочник по машиностроительному черчению / А. А. Чекмарёв, В. К. Осипов. - 3-е изд., стер. - Москва: Высшая школа, 2002. - 493 с.

.        Глебов, И. Т. Фрезерование древесины / И. Т. Глебов. - Екатеринбург: УГЛТУ, 2003. - 169 с.

.        Глебов, И. Т. Резание древесины: учебное пособие для вузов / И. Т. Глебов. - Санкт-Петербург [и др.]: Лань, 2010. - 254 с.

.        Методические рекомендации по оформлению выпускных квалификационных работ, курсовых проектов / работ для студентов очной, очно - заочной (вечерней) и заочной форм обучения. Вып. 4 / сост.: А. Н. Тритенко, О. В. Сафонова, Н. В. Дурягина . - Вологда : ВоГУ , 2016. - 103 с.

12.    Вологодский завод лесопильного оборудования «Экодрев» [Электронный ресурс]: офиц. сайт. - Режим доступа: <http://ecodrev.com/>

.        Детали машин: методические указания к курсовому проекту "Энергокинематический расчет привода": ФПМ: специальности: 150200, 120100, 210200, 170400 / сост.: В. П. Полетаев, А. А. Усов. - Вологда: ВоГТУ, 2003 . - 24 с.

.        Шимкевич, Ю.Б. Справочник по лесопилению / Ю.Б. Шимкевич. - Санкт-Петербург: «ПРОФИКС», 2006 - 200 с.