CC BY
8
ТЕХНОЛОГИЯ ЗАГОТОВКИ И МЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ
ДРЕВЕСИНЫ
УДК 674.023:621.936.6
Хвойные бореальной зоны. Том XXXVI, № 1. С. 7-11
РАЗРАБОТКА УСТАНОВКИ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРНЫХ ФАКТОРОВ ПРИ ПИЛЕНИИ ДРЕВЕСИНЫ ЦЕПНЫМ РЕЖУЩИМ ОРГАНОМ
М. Ю. Геваргис, С. Н. Долматов, А. В. Никончук, В. А. Лозовой
Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660037, Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31
E-mail: [email protected]
Одним из традиционных, широко применяемых видов механической обработки древесины и древесных материалов является пиление. Современный лесозаготовительный процесс сложно представить без применения инструментов, реализующих различные варианты пиления древесины. Пильные механизмы можно разделить на следующие виды: круглые, ленточные, прямые (рамные) и цепные. Основной вид режущих инструментов, используемых в ходе технологического процесса лесозаготовок - это пильные цепи. Большой объем работ в лесной промышленности приходится на следующие операции: валка, обрезка сучьев и раскряжевка хлыстов, все эти операции производятся бензомоторными пилами с применением цепного режущего органа. От качества и производительности режущего инструмента зависит эффективность выполнения процессов механической обработки древесины в ходе лесосечных работ. В связи с этим задача совершенствования цепных режущих органов является актуальной и заслуживающей внимания. Для оценки эффективности работы цепного пильного аппарата при работе на лесозаготовках необходимо более подробное изучение физических явлений, имеющих место в процессе пиления древесины.
Важным фактором, существенно влияющим на эффективность пиления древесины цепными пилами, является температура нагрева режущего органа пилы. В процессе пиления, режущий орган подвергается нагреву, причем нагрев неравномерно распределяется между отдельными функциональными элементами, из которых состоит пильная цепь. Существует определенная критическая температура пильной цепи, при которой режимы резания выходят за пределы нормативных, и эффективность работы цепного режущего органа резко снижается. Для повышения термической устойчивости цепных режущих органов используются различные способы, в частности подача смазывающих и охлаждающих жидкостей. Также возможно изготовление элементов цепи из специальных термостойких материалов.
Для исследования температурных явлений, возникающих в процессе цепного пиления, была разработана экспериментальная установка. Описано устройство и принцип работы экспериментальной установки, обоснованы приборное и программное обеспечение. Изложены результаты и приведены краткие выкладки проведенного установочного эксперимента. Представлены выводы по полученным данным.
Ключевые слова: измерение температуры, цепное пиление, экспериментальная установка.
Conifers of the boreal area. Vol. XXXVI, No. 1, P. 7-11
DEVELOPMENT OF EQUIPMENT FOR MEASUREMENT OF TEMPERATURE FACTORS WHILE SAWING THE WOOD BY CHAIN CUTTING ELEMENT
M. Yu. Gevargis, S. N. Dolmatov, A. V. Nikonchuk, V. A. Lozovoy
Reshetnev Siberian State University of Science and Technology 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation E-mail: [email protected]
One of the traditional widely used methods of mechanical processing of wood and wood materials is sawing. It is difficult to imagine the modern logging process without use of tools that implement different variants of wood sawing. The sawing mechanisms may be divided into the following types: circular saws, tape, frame and chain saws. The main type of cutting tools used in the process of logging is the saw chain. A large amount of work in the forest industry is accounted for the following operations: felling, pruning and bucking. All these operations are carried out with chain saws with chain cutting element. The quality and capacity of cutting tools influence on the effectiveness of processes
Геваргис М. Ю., Долматов С. Н., Никончук А. В., Лозовой В. А. Разработка установки для измерения ...
of mechanical processing of wood while logging operations. That is why the task of improving the chain cutting elements is relevant and worthwhile. In order To assess the effectiveness of work of chain saw element while logging it is necessary to study in details the physical phenomena occurring in the process of wood sawing.
The important factor affecting the efficiency of wood cutting by chain saws is the heating temperature of the saw working element. The cutting element is being heated during cutting and the heating is unevenly distributed between the elements of the saw chain. There is a certain critical temperature of the saw chain when the cutting conditions overstep the limits and the efficiency of the chain cutting element goes down measurably. Different methods are used to increase the thermal stability of the chain cutting elements, in particular the supply of lubricating and cooling fluids.
To study temperature effects arising in the process of chain sawing the experimental setup was developed. The article describes the design and principle of operation of the experimental setup, proved the instrument and software. The results and calculations of the carried out installation experiment are given. The conclusions to the obtained results are presented.
Keywords: temperature measurement, chain sawing, experimental setup.
ВВЕДЕНИЕ
В современном мире проблема ограниченности ресурсов является одной из самых важных и становится все более актуальной. Запасы многих природных ресурсов уже находятся в дефиците, а то, что некоторые сохранились в больших количествах, не означает их нескончаемость [1]. Поэтому возникла ситуация, когда многие ресурсы, в основном не восполняемые, стали менее доступными. Так же неблагополучное экологическое состояние планеты - это результат нерационального природопользования, результат деятельности людей, которых не беспокоит проблема сохранения природных ресурсов.
Для России, страны лесов, лесозаготовок и лесной промышленности, древесина всегда играла существенную роль в экономике. Красноярский край, является одним из крупнейших промышленных регионов России, в котором лесная и лесоперерабатывающая отрасль - всегда была одной из ведущих отраслей промышленности Красноярского края, и древесина уже много веков используется в качестве основного материала. Объемы лесозаготовительных работ в Российской Федерации неуклонно растут уже несколько лет подряд, до этого - в 2013-2014 годах - индекс по виду работ «лесозаготовки» составлял 96,8 и 99,8 % по итогам 2016 года наибольший рост - 105,9 % -показала заготовка бревен лиственных пород древесины - 27,1 млн кубометров [2].
Повышение технологических и эксплуатационных качеств пильных цепей и увеличение срока их службы в настоящее время особенно актуально. Бензомоторная пила, несмотря на широкое применение валочных машин, и сегодня является широко распространенным инструментом во всем мире. И сами валочные машины, как привило, имеют цепной режущий орган. В связи с этим необходимо предусматривать не только более широкое использование моторного инструмента, но и совершенствование его конструкции, в особенности цепного режущего органа, уделять особое внимание снижению вредного влияния на человека [3].
Работы в области повышения эффективности и надежности пильных цепей вели многие ученые, такие, как Н. Н. Вернер - «Повышение надежности пильных цепей обоснованием их конструктивных параметров и эксплуатационных показателей» [4], И. В. Григорьев,
М. В. Тарабан, Н. Н. Вернер - «Методика расчета тре-щиностойкости пильных цепей» [5], Д. С. Кутищев, В. Г. Свиридов, А. Ю. Гудков - «Процесс резания древесины пильной цепью с видоизмененными г-обра-зными зубьями» [6], Ю. М. Елизаров - «Экспериментальные исследования влияния показателей пиления на энергетическую эффективность бензомоторных пил» [7] и др.
Были исследованы явления и закономерности, действующие при пилении древесины цепными пилами. Однако и сейчас повышение эффективности и надежности пильных цепей является актуальной задачей. Одним из факторов, оказывающих существенное влияние на процесс пиления древесины цепной пилой, является температурный.
Исследованиями М. В. Дербина, В. М. Дербин [8] установлено, что при превышении температуры выше определенной величины ДГкр пила может потерять устойчивость в пропиле, и пиление станет невозможным.
Знание закономерностей и температурных факторов при цепном пилении позволит установить зависимость влияния температурного режима на износ оборудования. Данные исследования помогут реализовать возможность модернизации цепного режущего органа путем использования композитных материалов в основных составляющих пильной цепи.
Цель исследований: повышение эффективности процесса пиления древесины цепными пилами на основе анализа температурной устойчивости элементов цепи. Для достижения цели исследования предстоит решить следующие задачи:
1. Разработать экспериментальную установку для исследования цепного пиления.
2. Провести серию пробных опытов по оценке температурных режимов работы цепного режущего органа.
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ
Для выполнения поставленных задач был разработан лабораторный стенд, который позволяет проводить экспериментальные исследования, связанные с пилением древесины цепной пилой (см. рисунок). В ходе экспериментов планируется измерить температуру нагрева цепного режущего органа в процессе работы, провести серию пробных опытов по оценке
температурных режимов работы цепного режущего органа и влияние различных факторов на его изменение.
Стенд состоит из следующих основных частей: станина, механизм для зажима объекта обработки; платформа с шарнирным креплением цепного режущего инструмента и измерительная аппаратура.
На станине 1 установлен механизм для зажима объекта обработки, который состоит из трёх рычагов с винтовым креплением 2 и платформы с шарнирным креплением 3, которая выполнена с возможностью перемещения цепного режущего инструмента относи-
тельно оси вращения платформы, что позволяет регулировать параметры надвигания (скорость, подача, усилие) цепного режущего инструмента на обрабатываемый объект.
Цепной режущий инструмент, в качестве которого используется электропила Мак^ИС 4041А 4, установлен на платформу с шарнирным креплением 3 и закреплен болтами 5, что позволяет осуществить легкий демонтаж цепного режущего инструмента, для смазки, замены деталей и т. д. Перед началом работы с режущим инструментом необходимо пройти инструктаж по технике безопасности.
Измерительная аппаратура состоит из следующих элементов:
Основой системой является персональный компьютер. Компонентами измерительной системы являются плата аналого-цифрового преобразования L-761, термопары К-типа, пирометр GM320, для дистанционного измерения температуры на поверхности материала, усилитель сигнала, преобразователь частоты тока - DELTA VF055E43A, для плавного регулирования оборотов электропилы, монитор для визуализации сигналов датчиков и их обработки.
Для изучения температурных факторов в зависимости от режимов работы цепного режущего органа, была проведена серия пробных опытов.
МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ
Был проведен установочный эксперимент. Основной задачей установочного эксперимента является проведение серии пробных опытов, по оценке температурных режимов работы цепного режущего органа. Целью установочного эксперимента является определение нагрева цепного режущего инструмента в процессе работы. Были определены факторы, влияющие на температуру нагрева цепного режущего инструмента в процессе работы.
Термометры сопротивления были соединены и подключены к АЦП Ь-761 по предложенной заводом-изготовителем схеме. Поверка термопары, проводилась в соответствии со стандартом ГОСТ 8.338-2002 «Государственная система обеспечения единства измерений. Преобразователи термоэлектрические. Методика поверки» [9].
Результаты были сохранены в программе для каждого датчика (см. таблицу). Для пиления использовались образцы сосны круглого сечения диаметром 18 см.
Уравнение регрессии для данного эксперимента можно представить в следующем виде:
у = Ь0 + Ь1 х1 + Ь2 х2 + Ь12 х1 х2, (1)
у = 97,23 + 2,21х1 + 2,92х2 -0,35х1 х2.
Уравнение регрессии адекватно описывает результаты эксперимента, если выполняется условие:
F < F
р т'
(2)
где - табличное значение критерия Фишера для принятого уровня значимости р и числа степеней свободы / числителя и /2 знаменателя. Табличное значение критерия Фишера при уровне значимости
Геваргис М. Ю., Долматов С. Н., Никончук А. В., Лозовой В. А. Разработка установки для измерения .
р = 0,05 и числе степеней свободы числителя / = чения критерия Фишера показывает, что условие вы-
= N(k-1) = 16 и знаменателя f2 = N-n-l = 1 равно FT = 245,20. Сравнение расчётного и табличного зна-
полняется, что говорит об адекватности полученного уравнения регрессии.
Матрица реализации эксперимента 22
N Х1 Х2 y y (y - y) (y - y )2 S/S2 v, %
1 2 3 4 5 6 7 8 9
1 730 15 93,80 93,72 0,08 0,0064 0,31/ 0,097 0,33
94,20 0,48 0,2304
93,50 -0,22 0,0484
93,70 -0,02 0,0004
93,40 -0,32 0,1024
2 870 15 94,2 94,9 -0,7 0,49 0,63/ 0,4 0,67
95,6 0,7 0,49
95,5 0,6 0,36
94,4 -0,5 0,25
94,8 -0,1 0,01
3 730 25 96,2 96,32 -0,12 0,0144 0,62/ 0,39 0,65
96,4 0,08 0,0064
97,3 0,98 0,9604
95,6 -0,72 0,5184
96,1 -0,22 0,0484
4 870 25 104,5 103,98 0,52 0,2704 0,69/0,47 0,66
103,7 -0,28 0,0784
102,9 -1,08 1,1664
104,3 0,32 0,1024
104,5 0,52 0,2704
Примечание. = V - скорость резания м/мин; х2 = Р - усилие надвигания, кг; у = T - температура нагрева цепного режущего органа, °С.
ВЫВОДЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
1. Несмотря на успехи исследователей в области повышения эффективности и надежности пильных цепей не было уделено достаточного внимания изучению температуры, возникающей в контактном поле действия пильных аппаратов в процессе резания древесины.
2. Разработанный авторами экспериментальный стенд, позволяет проводить экспериментальные исследования процесса пиления цепными пилами, в том числе определять температуру нагрева цепного режущего органа. Стенд можно использовать для изучения физико-механических явлений при цепном пилении различных материалов.
3. Была экспериментально определена температура нагрева цепного режущего органа в процессе работы. Получены уравнения описывающий процесс нагрева рабочего органа в процессе пиления, в зависимости от скорости резания и усилия надвигания. Полученные предварительные результаты эксперимента, могут послужить в дальнейшем ориентиром для возможности применения композитных материалов при изготовлении цепных режущих органов.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЕ ССЫЛКИ
1. Касаткина К. В., Хамитова А. А. Проблема ограниченности ресурсов. мировой рынок пресной воды // Научное сообщество студентов XXI столетия. экономические науки : сб. ст. по мат. XXXI Междунар. студ. науч.-практ. конф. № 4 (31).
2. URL: http://www.umocpartner.ru/statistics/lesozag otovka-v-rf-v-2016-godu/ (дата обращения: 18.08.2017).
3. Кутищев Д. С. Повышение эффективности работы бензомоторных пил на основе совершенствования конструкции пильной цепи : автореф. дис. ... канд. техн. наук / Воронеж. гос. лесотехнич. акад. Воронеж, 2007.
4. Вернер Н. Н. Повышение надежности пильных цепей обоснованием их конструктивных параметров и эксплуатационных показателей : автореф. . канд. техн. наук. СПб., 2010. 14 с.
5. Григорьев И. В., Тарабан М. В., Вернер Н. Н. Методика расчета трещиностойкости пильных цепей // Актуальные проблемы лесного комплекса : сб. науч. тр. / под общ. ред. А. Я. Панфилова. Вып. 20. Брянск, 2007. С. 91-94.
6. Кутищев Д. С., Свиридов В. Г., Гудков А. Ю. Процесс резания древесины пильной цепью с видоизмененными г-образными зубьями // Актуальные направления научных исследований XXI века: теория и практика. 2014. № 2.
7. Елизаров Ю. М. Экспериментальные исследования влияния показателей пиления на энергетическую эффективность бензиномоторных пил // Современные проблемы науки и образования. 2014. № 1.
8. Дербиш М. В., Дербин В. М. Исследование охлаждающей способности аэростатических опор // Системы. Методы. Технологии. 2015. № 3 (27). С. 97-101.
9. ГОСТ 8.338-2002. Государственная система обеспечения единства измерений (ГСИ). Преобразо-
ватели термоэлектрические. Методика поверки. ФГУП «УНИИМ», 2002. 22 с.
REFERENCES
1. Kasatkina, K. V., Khamitova A. A. Problem of limited resources. World market for fresh water // Scientific community of students XXI century. economic science : collection of articles on the Mat. XXXI Intern. stud. scientific. pract. ronf. No. 4(31).
2. URL: http://www.umocpartner.ru/statistics/lesozag otovka-v-rf-v-2016-godu/ (date of visit: 18.08.2017).
3. Kotyshev D. S. Improving the efficiency of gasoline chain saws, on the basis of improving the design of cutting chains : abstract. dis. ... kand. tech. sciences / Voronezh State Forestry Engineering Academy. Voronezh, 2007.
4. Werner N. N. Improving the reliability of a saw chain is justification for their design parameters and performance : author. . kand. tech. Sciences. Saint-Petersburg, 2010. 14 s.
5. Grigoriev I. V., Taraban M. V., Werner N. N. Method of calculating the fracture toughness of saw
chains // Proc. scientific. papers "Current problems of forestry" / under the General ed. of A. I. Panfilov. Vol. No. 20. Bryansk, 2007. S. 91-94.
6. Kotyshev D. S., Sviridov V. G., Gudkov, A. Yu. Process of cutting wood with a chain saw modified t-shaped teeth // Actual directions of scientific researches of the XXI century: theory and practice. 2014. No. 2.
7. Yelizarov Yu. M. Experimental study of influence of cutting on the energy efficiency of petrol-powered saws // Modern problems of science and education. 2014. No. 1.
8. Derbina M. V., Derbin V. M. Research of the cooling ability of aerostatic supports // System. Methods. Technology. 2015. № 3 (27). Pp. 97-101.
9. GOST 8.338-2002. State system of ensuring unity of measurements (GSI). The thermoelectric converters. The method of verification. FSUE "UNIIM", 2002. 22 a
© Геваргис М. Ю., Долматов С. Н., Никончук А. В., Лозовой В. А., 2018
Поступила в редакцию 14.11.2017 Принята к печати 26.02.2018
