CC BY
33
ЛЕСОЭКСПЛУАТАЦИЯ
УДК 634*362.7
Е.А. Памфилов, А.Н. Заикин, Г.Н. Кривченкова, Г.А. Пилюшина
Брянская государственная инженерно-технологическая академия
Памфилов Евгений Анатольевич родился в 1941 г., окончил в 1964 г. Брянский институт транспортного машиностроения, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой оборудования лесного комплекса и технического сервиса Брянской государственной инженерно-технологической академии, заслуженный деятель науки РФ. Имеет более 360 печатных работ в области обеспечения долговечности машин и оборудования. Тел./факс: 8(4832) 64-60-73
Заикин Анатолий Николаевич родился в 1949 г., окончил в 1975 г. Брянский технологический институт, кандидат технических наук, доцент, профессор кафедры технического сервиса Брянской государственной инженерно-технологической академии, действительный член МАНЭБ. Имеет около 180 печатных работ в области совершенствования техники и технологии лесозаготовок. E-mail: [email protected]
Кривченкова Галина Николаевна родилась в 1963 г., окончила в 1987 г. Брянский технологический институт, инженер кафедры оборудования лесного комплекса и технологического сервиса Брянской государственной инженерно-технологической академии. Имеет более 10 печатных работ в области совершенствования техники и технологии лесозаготовок. Тел.: 8(4832) 64-60-73
Пилюшина Галина Анатольевна родилась в 1970 г., окончила в 2000 г. Брянскую государственную инженерно-технологическую академию, кандидат технических наук, доцент кафедры технологии конструкционных материалов и ремонта машин БГИТА. Имеет более 30 печатных работ в области повышения работоспособности узлов и механизмов оборудования лесного комплекса. Тел.: 8(4832) 64-60-73
ОСНОВНЫЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ НАГРУЖЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ ПИЛЬНЫХ АППАРАТОВ ЛЕСОЗАГОТОВИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ
Установлены основные закономерности нагружения деталей цепных пильных аппаратов лесозаготовительной техники при взаимодействии пильной цепи с ведущей звездочкой и пильной шиной.
Ключевые слова: пильный аппарат, пильная шина, пильная цепь.
Один из основных узлов лесозаготовительной техники - цепной пильный аппарат консольного типа, обладает рядом положительных качеств: достаточно высокой производительностью, удобством в эксплуатации и др. Однако он не лишен и ряда недостатков, основной из которых - низкий моторесурс его составных частей по отношению к сроку службы лесозаготовительной техники.
В связи с частыми отказами полотен пильных шин Центральным научно-исследовательским институтом механизации и энергетики лесной промышленности и предприятиями-изготовителями были выполнены работы по повышению долговечности этого элемента пильного аппарата, которые проводились в основном в направлении выбора марки стали для полотна, режимов ее упрочнения, а также установления
оптимальной геометрии контура шины [2-5 и др.].
Эти работы позволили несколько увеличить долговечность пильных шин, однако анализ условий их эксплуатации показал, что достигнутый уровень недостаточен и может быть повышен за счет изыскания более износостойкого материала.
Кроме того, сталь 45ХНМФА, из которой в настоящее время изготавливаются полотна пильных шин, является дорогостоящей, а компоненты, входящие в нее, дефицитны. Поэтому задача поиска путей повышения долговечности полотна пильной шины весьма актуальна.
Цель нашей работы - на начальном этапе решения этой задачи провести теоретические исследования взаимодействия пильной цепи со звездочкой и шиной и выявить основные причины изнашивания.
Известно, что причинами отказов основных рабочих элементов пильных аппаратов - пильной шины и пильной цепи - являются достижение предельного износа и объемное разрушение. При этом изнашивание про-
текает в условиях циклического на-гружения и под действием ударных периодических нагрузок с последующим трением-скольжением цепи по шине при наличии между трущимися поверхностями смазки и абразива.
При ударном изнашивании со скольжением процесс разрушения поверхностного слоя можно разделить на два основных этапа: первый - разрушение, происходящее при ударе, второй - износ при перемещении поверхностей друг относительно друга.
Очевидно, что взаимодействие контактирующих поверхностей на первом и втором этапах будет определяться большим числом факторов, зависящих от физико-механических характеристик материала, особенностей абразивного воздействия и условий изнашивания, причем механизмы изнашивания на первом и втором этапах будут отличаться.
Для оценки закономерностей перемещения пильной цепи по шине в процессе пиления было рассмотрено движение звена от начала и до конца его контакта со звездочкой. На рис. 1 схематически изображена пильная
I
1
Рис. 1. Схема расположения на ведущей звездочке звеньев (а) и шарниров (б)
пильной цепи
цепь в зацеплении с ведущей звездочкой, которая с постоянной угловой скоростью вращается по часовой стрелке.
При движении звена пильной цепи по ведущей звездочке шарниры его последовательно занимают положение 1, 2, 3, перемещаясь с постоянной окружной скоростью по начальной окружности. Рассматриваемое звено совершает линейное перемещение и колебательное движение во взаимно перпендикулярных координатах. При этом скорость движения Уу пильной цепи в вертикальной плоскости и скорость набегания Ух цепи на звездочку можно определить разложением окружной скорости V ведущей звездочки в вертикальном и горизонтальном направлениях:
У = (1)
Ух = Vсо§Р ; (2)
Гг,=Гзтр, (3)
где ю - угловая скорость вращения звезда?
дочки, ш = —;
30
п - частота вращения ведущей звездочки;
Я - радиус начальной окружности
звездочки, м;
(3 - угол отклонения шарнира от вертикальной оси.
При (3 = 0 шарнир займет положение 2. При этом звено, достигнув наивысшего положения, будет иметь
Vx = V; Vy = 0.
В процессе поворота звездочки
на угол Р = — (а - угол, измеряемый
между линиями, соединяющими центры ведущей звездочки и звеньев цепи) шарнир занимает положение 3. При этом звено, поднимаясь с возрастающей скоростью, перемещается вперед уже с уменьшающейся скоростью.
При входе в зацепление следующего звена движение цепи повторяется. Таким образом, за время поворота звездочки на угол а цепь движется от положения 1 до положения 2, с замедлением опускаясь вниз и с ускорением перемещаясь вперед; от положения 2 до положения 3, с ускорением поднимаясь вверх и с замедлением перемещаясь вперед. Периодическое приподнимание и опускание цепи, особенно при малом числе зубьев звездочки и повышенной скорости, вызывает колебания и неравномерное движение цепи.
Продифференцировав уравнения (1) и (2) по времени X, найдем ускорение I шарнира (звена) в направлениях X и У:
'.V =
7>>=-
¿к
ж
дх
= -Я 0Э 8П1р ; (4)
- -Я со2 соэр . (5)
Максимальное значение ускорения получим, подставив в формулы (4)
^хтах — ~
>411 ах--
2
п\
180
п2 Я 90 '
(6) (7)
где Хц - шаг пильной цепи, м.
В начальный момент соприкосновения шарнира цепи с зубом звездочки (за счет удара шарнира о зуб) ее движение из замедленного переходит в ускоренное. Происходит второй удар вследствие мгновенного изменения скорости движения цепи. Однако это ускорение будет вызывать продольный удар, не влияющий на характер контактирования цепи и шины. Максимальное значение скорости У'у будет
я а при Р = -.
Рис. 2. Диаграмма скоростей колебания пильной цепи вследствие огибания ведущей звездочки
Рассматривая пильную цепь как жесткую нить, на бесконечно малом промежутке времени закрепленную в одной точке (рис. 2), в месте максимальной ширины пильной шины, мож-
Подставим (9) в (8):
т КI эт
V =■
у
2
30 ь
(10)
но определить скорость
VI
в интере-
сующей нас точке контура по следующей формуле:
Уу
ь
(8)
где I - расстояние от места закрепления шины до рассматриваемой точки (центр шины), м;
Ь - расстояние от рассматриваемой точки до оси ведущей звездочки, м.
Скорость в момент соприкосновения пильной цепи с шиной оп-
ос
ре делим по формуле (3) при Р = — :
7Ш а
V, --Я 8Ш—
30 2
(9)
По формуле (10) найдем скорость в момент удара при набегании пильной цепи на ведущую и ведомую звездочки, т. е. там, где не наблюдается увеличение скорости соударения за счет горизонтальной составляющей скорости пильной цепи.
Важным является устранение динамического воздействия пильной цепи на шину в местах сбегания со звездочки, так как вследствие действия инерционных сил траектория движения пильной цепи изменяется и звенья ударяют по шине с большей вертикальной скоростью.
Движение звена пильной цепи после его сбегания со звездочки осуществляется по касательной к начальной окружности под определенным углом к контуру шины (рис. 3). Поэтому вертикальная составляющая скорости соударения будет определяться также и скоростью Ух.
Для нахождения вертикальной получим
составляющей скорости V", рассмотрим скорости Ух и У[, относительно
направляющей поверхности пильной шины:
у;=-ул.8ту+у;со8Г, (11)
где у - угол между направлением движения пильной цепи и контуром шины в месте соударения.
Подставив в формулу (11) значения Ух и У у из формул (2) и (10),
а
>' 30
л
V
а а
— БШ —СОЗУ-СОЗ—БШу
Ь 2 2 ,
. (12)
Т = ^т(У;)2
(13)
Кинетическая энергия удара звена по шине
]_
2
Подставим (12) в (13) и примем
т = — (где О - вес звена цепи; д ~
Ч
ускорение силы тяжести). Тогда
Оп2 п2Л2\ — эт— соэу — соэ— эту \!-/ 2 2
/
ос
ос
Т =_^_-_-_(14)
1800
Введя коэффициент эксплуата- стояния, компоновки звездочек, спосо-ции Кэ, который учитывает влияние ба регулировки натяжения, способа характера нагрузки, межосевого рас- смазывания, режима работы [1], имеем
г^ л 2 2п2| ^ ОС ОС .
КэСт7г п К | —вт—сову — сое—вту
2 2
т =_^_-_-_(15)
1800^
В случае, когда пильная шина энергии, затраченной на сжатие пру-снабжена амортизатором, энергия уда- жины амортизатора. Рассчитаем эту ра уменьшается за счет потенциальной энергию:
П(Х ) = | /<л.Лх = С \Хс1х = — Щ- Х- я (16)
А'! ' А'!
2
где Х\ - сжатие пружин амортизатора за счет предварительного натяжения пильной цепи;
Х2 - сжатие пружин амортизатора в процессе движения пильной цепи;
С - жесткость пружин амортизатора.
Исходя из закона сохранения энергии, определим энергию соударения: Е = Т - П/2. (17)
Положенное значение энергии сжатия пружины амортизатора принимается вследствие того, что он смягчает удар как у приводной, так и направляющей звездочек. Подставим Т и П из формул (15) и (16) в (17):
кап2 п2 я2
/ (X (X ] / 2
— эт— соэу — соэ— эту — 450С<з,^2 — Х[
Е = -
Ь
2
_2_
1800^
>
(18)
2
2
Определим удельную энергию удара, приходящуюся на 1 мм2 площа-
ди контактирования звена с пильнои шиной:
т^ 2 2 г>2 ( 1 . (X а.
K3Chz п к — sin- cosy — cos— siny
\ L/ 2 2
,2
ASOCq^l - X;
Еуд 7200&/7
где 7200 - число контактирующих площадок одного звена; Ь - ширина площадки; И - длина площадки. Динамическую силу удара вычислим по формуле
7' (20)
(19)
где ¡з - импульс силы, = шУу; т - масса звена цепи; Уу - нормальная скорость соударения; х - продолжительность удара, с. Подставим ¡я в (20):
Pd=-
mV„
(21)
Частота соударений пильной цепи и шины
Wc =
У_
t„
(22)
где
V - скорость движения пильной цепи принимаем равной угловой скорости ведущей звездочки.
При скорости пиления V = 10 м/с и шаге цепи ^ = 10,26 м частота соударений пс = 975 с-1.
Учитывая, что контакт пильной цепи и шины прерывистый, можно заключить, что давление в контакте будет определяться площадью опорных площадок пильной цепи и числом звеньев, контактирующих одновременно с шиной. Считая, что нагрузка распределяется между звеньями равномерно, давление в контакте определяется как отношение усилия надвигания к площади контакта цепи и шины. При усилии надвигания 250 Н среднее удельное давление для цепи ПЦУ-10,26 и шины УПА составит 0,35 МПа.
Максимальное значение давления можно рассчитать, установив закономерность распределения нагрузки по длине пильного агрегата. Характер этой нагрузки одинаков при работе как на валке, так и на раскряжевке: реактивный отпор, действующий в плоскости реза, распределяется по длине пильной шины по закону треугольника, поэтому максимальное давление, действующее на пильную шину, будет равно 0,70 МПа, что в два раза больше, чем среднее в контакте.
При движении пильной цепи характер нагружения шины будет пульсирующим. Пульсирующий характер нагружения при движении в пропиле обусловлен прерывистостью направляющей поверхности звена, вследствие чего в течение промежутка времени Т\ (время прохождения опорного участка звена) на шину действует усилие, затем (через время х2) нагрузка отсутствует. Для пильной цепи ПЦУ-10,26 и скорости движения 10 м/с значения т^ и х2 равны 0,0002 с.
Таким образом, с помощью полученных зависимостей можно определить силу и энергию удара звена по шине в процессе изнашивания, однако входящие в расчетную формулу величины (угол встречи звена пильной цепи и шины в момент удара, сжатие пружин амортизатора, продолжительность удара) весьма сложно рассчитать теоретически.
Кроме того, необходимо установить зону, на которой осуществляется удар, оценить возможность попадания абразива в зону трения, а также уточнить действующие в процессе эксплуатации нагрузки.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Иванов М.Н., Финогенов В.А. Детали машин: Учеб. для машиностроительных специальностей вузов. 11-е изд., перераб. М.: Высш. шк., 2007. 408 с.
2. Моторный инструмент для лесозаготовок / А.П. Полищук [и др.]. М.: Лесн. пром-сть, 1970. 232 с.
3. Чайка Р.В. Исследование энергетических показателей процесса пиления цепными пильными аппаратами с различными типами шин // Лесосечные, лесоскладские работы и сухопутный транспорт леса: Межвуз. сб. на-учн. тр. Вып. VI. Л.: РИО ЛТА, 1977. С. 22-26.
4. Чайка Р.В. Построение рационального очертания полотна каплеобразной пильной шины // Лесосечные, лесоскладские работы и сухопутный транспорт леса: Межвуз. сб. научн. тр. Вып. 7. Л.: РИО ЛТА, 1978. С. 24-28.
5. Чайка Р.В., Сакало В.И. Влияние конструктивного исполнения полотна пильной шины на ее прочность // Лесосечные, лесоскладские работы и сухопутный транспорт леса: Межвуз. сб. научн. тр. Вып. 8. Л.: РИО ЛТА, 1979. С. 28-32.
E.A Pamfilov, A.N. Zaikin, G.N. Krivchenkova, G.A. Pilyushina
Bryansk State Academy of Engineering and Technology
Basic Regularities for Loading Details of Sawing Devices of Logging Machinery
The basic regularities for loading details of chainsaw devices of logging machinery are established under the interaction of a chain saw with a drive sprocket and a saw bar.
Keywords: sawing device, saw bar, chain saw.
