Энергоёмкость основных процессов резания древесины в лесозаготовительной промышленности Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

Макаренко А.В. ЭНЕРГОЁМКОСТЬ ОСНОВНЫХ ПРОЦЕССОВ РЕЗАНИЯ ДРЕВЕСИНЫ В ЛЕСОЗАГОТОВИТЕЛЬНОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ

Резание древесины является основным способом механической обработки древесины в лесозаготовительной промышленности. При проведении лесосечных работ, которые являются первой фазой лесозаготовок, встречаются несколько видов резания. Это бесстружечное резание ножами при обрезке сучьев, пиление цепными пилами поперёк волокон, пиление дисковыми пилами и фрезами и некоторые другие виды резание. На основных технологических линиях нижнего лесопромышленного склада и в лесообрабатывающих цехах встречаются различные виды резания, но наиболее часто - это пиление дисковыми пилами вдоль и поперёк волокон. Затраты энергии на проведение этих операций имеют большое значение, определяющее экономическую эффективность всего производственного процесса лесозаготовок. Особую роль энергоёмкость процессов резания играет для многооперационных и многофункциональных машин, где одно и тоже технологическое оборудование выполняет различные обрабатывающие операции и интенсивность затрат энергии (мощность) может значительно меняться во времени.

Энергоёмкость процессов резания древесины в общем случае складывается из трёх составляющих, которые являются переменными во времени:

*к *к *к

Э = | Npdt + |Риudt + | Nvdt,

1п 1п 1п

где Ыр - мощность резания, Вт, Ри - сила подачи, Н, и - скорость подачи, м/с, - затраты мощности

при работе механизмов привода, Вт, t - время резания, с, и ^ - моменты начала и конца резания, с.

Первое слагаемое формулы отражает затраты энергии на само резание, второе слагаемое - затраты энергии на подачу режущего инструмента, третье - потери мощности в механизмах привода режущего инструмента вовремя работы. Можно принять, что затраты (потери) мощности в последнем слагаемом постоянны, поэтому это слагаемое зависит только от продолжительности резания.

Затраты мощности в первых двух слагаемых меняются в процессе работы и их мгновенные значения зависят от двух групп факторов: геометрической формы распиливаемого материала и установленного режима резания. К первой группе факторов относятся: при поперечном пилении - форма сечения лесоматериала, при продольном - сбежистость лесоматериала, при обрезке сучьев способом силового резания ножами -форма сечения сучка в месте его срастания со стволом дерева. Вторая группа факторов определяет способ регулирования скорости подачи. Известны следующие способы регулирования скорости подачи: изменение скорости подачи производится при постоянной мощности резания, при постоянном усилии надвигания, при постоянном произведении скорости подачи на высоту пропила, скорость подачи задаётся постоянной в зависимости от максимальной высоты пропила и скорость подачи неизменна для всех условий.

Поперечное пиление наиболее часто осуществляется цепными и круглыми пилами и встречается как на лесосечных работах, так на нижнем лесопромышленном складе и в лесообрабатывающих цехах. Энергетические затраты на резание, которые отражаются в первом слагаемом, определяются продолжительностью процесса и заранее неизвестны. Поперечное пиление, в большинстве эксплуатируемых механизмах, осуществляется качательным движением инструментом резания, поэтому пределы интегрирования меняются на угол поворота. Энергетические затраты на пиление (Эр) составят:

%-„ У\-„

Эр = Г -р ¿1 = Г -р^¿у ,

Г и * и

1п УП

где Ко - радиус поворота пильного механизма, м, у - угол поворота пильного механизма.

Скорость подачи в последнем выражении определяется на основании формул и зависимостей, предложенных проф. Бершадским и проф. Залегаллером (1). На основании зависимостей скорость подачи зависит от установленной мощности резания, ширины пропила (Ь), шага зубьев (tz) , скорости резания (V), механических свойств древесины и характеристик резания (а). Для поперечного пиления круглыми пилами выражение скорости подачи имеет вид:

-р^13 п1,2

8,5 *105 аЬ0’5Иу0Л5

где Н - высота пропила, м, которая зависит от угла поворота пильного механизма.

Пиление цепными пилами имеет особенность, что тяговая сила на ведущей звёздочке складывается из силы резания, силы трения на пильной шине и сопротивления на ведомой звёздочке.

2

U ■

(Npv- P2v)tm

2,65*105 * vll3bU3aH(1 + ßTa)

где Р2 - сила сопротивления на ведомой звёздочке, Н, Цх - коэффициент трения между пильной цепью и шиной, а - коэффициент соотношения силы резания и силы подачи.

Силы подачи, с учётом различия между пилением круглыми дисковыми и цепными пилами, имеют следующие выражения:

для круглых пил

Ри = Р (аътв + соъв),

для цепных пил

Р = Рр(аътв + соъв) + (аР ^ + Р2)соб&,

где в - кинематический угол встречи между направлениями скорости резания и скорости подачи.

Кинематический угол встречи и высота пропила при качательном движении режущего инструмента в предыдущих формулах являются переменными величинами и зависят от угла поворота инструмента.

Итоговые графики изменения энергоёмкости процесса пиления в зависимости от диаметра в месте пропила представлены на рис. 1. Исходными данными для расчёта было принято следующее: скорость резания для ценных пил 24 м/с, для круглых пил - 70 м/с, установленная мощность резания 40 кВт, порода древесины - сосна.

Определение энергозатрат на резание при продольной распиловке круглыми пилами имеет некоторое отличие от поперечного пиления. Траектория движения пилы или распиливаемого лесоматериала при продольной распиловке является прямолинейной, и поэтому пределы интегрирования соответствуют длине бревна. Скорость подачи при постоянной мощности резания определяется на основании выражений теории резания (1, 2)

31,5*105 аЪИу3

Усилие подачи при продольном пилении круглыми пилами определяется таким же образом, как и для поперечного пиления.

На графике рис.1 представлены расчёты по изменению мощности резания в зависимости от диаметра распиливаемого лесоматериала. Исходные данные для расчёта были идентичны, как и для поперечного пиления круглой пилой, при принятой длине бревна 3 м.

Силовое резание ножами при обрезке сучьев имеет особенностью, что скорость резания совпадает со скоростью подачи. Энергетические затраты при обрезке сучьев складываются из нескольких усилий в процессе резания 4-

Э | (Рр + Ртр + Копр + Рын + К )М,

К

где Рр

сила резания, Н; РТ1

]ТШ

силы трения ножей о ствол дерева, сопротивления пе-

ремещению дерева, инерции, трения механизма протаскивания о ствол, соответственно, Н.

Процесс обрезки сучьев является неустойчивым из-за того, что сучья на стволе дерева располагаются неравномерно и часто образуют мутовки. Таким образом, движение ножевой головки может происходить и при рабочем усилии, и при холостом. В последнем случае скорость движения резания может быть увеличена, но при этом возрастёт сила инерции дерева.

Рис.

1. График изменения энергоёмкости пиления цепными и дисковыми пилами и обрезки сучьев ножевой головкой в зависимости от диаметра лесоматериала.

На рис.1 представлен график изменения энергозатрат в зависимости от диаметра дерева в месте спи-ливания. В исходных данных порода дерева была сохранена, как и для предыдущих случаев. В дополнение было принято, что механизм протаскивания дерева вальцовый, так как конструкция механизма протаскивания определяет силу трения ствола дерева при протаскивании.

На графиках рис. 1. затраты энергии при поперечном пилении цепными и дисковыми пилами измеряются по левой шкале, при обрезке сучьев ножевой головкой и продольном пилении дисковой пилой - по правой шкале. Из графиков видно, что наибольшие энергозатраты приходятся на продольное пиление и обрезку сучьев ножами, а поперечное пиление имеет наименьшие энергозатраты. В то же время, при продольном пилении пила проходит площадь продольного сечения лесоматериала, зависящую от длины лесоматериала, и поэтому может быть больше или меньше площади поперечного сечения.

Некоторые из представленных видов обработки лесоматериалов могут проводиться на одной многооперационной машине. Примером служит выполнение обрезки сучьев, валки и раскряжёвки на харвестере (ва-лочно-сучкорезно-раскряжёвочной машине). На основании приведённых графиков можно определить изменение нагрузки на двигатель и режим его работы.

Исследование зависимостей энергоёмкости обрабатывающих и переместительных операций в зависимости от параметров рабочих инструментов, характеристик сырья, режимов работы и др. имеет большое значение при проектировании лесных машин и улучшения режимов их работы.

ЛИТЕРАТУРА

1. Залегаллер, Б.Г. Расчёт пильных механизмов раскряжёвочных установок / Б.Г. Залегаллер. -

Л.ЛТА.-1974.- 179 с.

2. Бершадский, А.Л. Резание древесины / А.Л. Бершадский, Н.И. Цветкова.- М.: Высшая школа,

1975.-303 с.

3. Макаренко А.В. Оценка энергозатрат при выполнении операций многооперационными машинами / Актуальные проблемы развития лесного комплекса. - Вологда, 200 6.-с. 71-7 4.

и —