Учёные МГТУ им. Н.Э.Баумана – лесопромышленному комплексу

На  международной конференции «МАШИНЫ, ТЕХНОЛОГИИ И МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ СОВРЕМЕННОГО МАШИНОСТРОЕНИЯ»,  посвященной 75-летию Института машиноведения им. А.А. Благонравова РАН, 21 ноября 2013 года был заслушан и обсуждён доклад: Многопильная «коленчатая» пила —  новые тенденции  в деревообрабатывающем станкостроении (Блохин М.А., Гаврюшин С.С., Прокопов В.С. — МГТУ имени Н.Э.Баумана, Россия, Москва).

Более подробное обсуждение прошло чуть позже в МГТУ имени Н.Э.Баумана с участием специалистов ИМАШ РАН, ФГУП «Государственный научный центр лесопромышленного комплекса», разработчиков многопильного станка «Шершень». Было высказано общее мнение, что созданный многопильный станок с круговым поступательным движением пильных полотен, по совокупности технико-экономических и эксплуатационных характеристик, является лучшим в мире среди станков малого лесопиления. 

Также была высказана готовность разработчиков рассмотреть возможность заключения договора патентной лицензии, по передаче КД на станок серьёзной организации или предприятию машиностроительного комплекса.

На конференции затрагивались вопросы резонансных колебаний главных узлов станка и пильных полотен в частности. Настоящая статья посвящена одному из этих вопросов.

Почему родился ресурсосберегающий «Шершень»

Анализ используемого основного оборудования для лесопиления дает следующие выводы.       В настоящее время  в мире эксплуатируется оборудование, несущее в себе три основных, принципиально отличающихся, конструктивных схемы:

а) лесорамы  с возвратно-поступательным движением пильных полотен вдоль оси бревна (или их модификации);

б) круглопильные станки с дисковыми пилами;

в) оборудование с ленточными лезвиями (пилами).

Потребитель оборудования руководствуется стратегией и тактикой его использования, поэтому он вынужден выбирать оборудование, которое обеспечивает один или несколько ниже перечисленных показателей.

 1. Качество обработанных поверхностей и сохранность приповерхностного слоя, а также малая разнотолщинность — особенно важна для ценных и редких пород дерева;

2. Энергосберегающие технологии распиловки, т.е. экономичность;

3. Диапазон характерных размеров обрабатываемых брёвен, брусьев — диаметр, длина.

4. Мобильность — способность ведения распиловки на (у) лесоразработках (запасниках) с возможностью её оперативного перевода, повышающего экономическую эффективность, на новое место без значительных строительно-монтажных работ.

5. Цена покупки оборудования (в т.ч. вспомогательного), а также срок его окупаемости;

6. Простота обслуживания оборудования, его надежность, ремонтопригодность, отечественная комплектация;

7. Преемственность и унификация с ранее используемым оборудованием;

8. Независимость от импортных поставок;

9. Уровень квалификации операторов, необходимость специального обучения;

10. Эргономичность, экологичность и т.п.

11. Малые энергозатраты на распиловку единицы продукции, малое энергопотребление и, в том числе, автономное.

12. Возможность распиловки маломерного леса, остающегося от основного лесопильного производства.

Всё известное распиловочное оборудование обладает характерными преимуществами и недостатками, которые коротко рассматриваются ниже (для основных конструктивных схем).

Лесопильные рамы(Р63 – 4Б, как самые распространенные в России или малогабаритный РМ-50).

Одновременное выпиливание нескольких досок за один проход  бревна или бруса. Возможность обработки бревен диаметром до 540 мм. Достаточно высокая производительность.

Однако. Потеря энергии (до 30…35%%)  на преодоление сил инерции   при возвратно-поступательном  движении пильной рамки, на преодоление сил инерции бревна при  синхронизации его циклической подачи в зону резания  (пиления). При  этом затраты энергии для распиловки единицы продукции возрастают обратно пропорционально диаметру распиливаемого бревна и, при среднем диаметре бревна 330 мм, затраты больше в два раза чем при распиловке любым другим упомянутым типом оборудования.  Данный фактор становится актуальным в свете постоянного повышения стоимости  энергоносителей, да и не только поэтому.

 Существует необходимость значительного объема (до 30 процентов от номинальной цены) строительно-монтажных и сопутствующих работ по возведению основания (фундамента).  Стационарность. Значительный вес. Получение ТУ на электроэнергию.

Практическое отсутствие контроля усилия натяжения полотен ведет к изменению их расчетных характеристик и, как следствие, — к потери их устойчивости во время работы (вибрации – поперечные и крутильные колебания), перегреву и удлинению полотен, увеличению разнотолщинности и шероховатости досок. Исключительная зависимость от опыта оператора (рамщика).

Невысокая производительность для получения качественной поверхности (скорость подачи 1,0…1,05 метров в минуту). Эта особенность (характерна для любого вида оборудования) определяется тем фактом, что, при скорости подачи на один зуб больше одного мм, процесс резания сопровождается разрывом волокон обрабатываемой поверхности и нарушением структуры поверхностного слоя доски. Данное обстоятельство, наряду с разнотолщинностью, вызывает снижение полезного объема используемой древесины. Малая рентабельность распиловки маломерного леса.

Вместе с тем лесорама пока не имеет конкурентов по производительности при низких потребительских характеристиках продукции.

Круглопильное оборудование (например — РД — 25М двухпильный станок).

Диаметр обрабатываемого бревна  до 280 мм. Мощность = 30 кВт.

Наличие динамического баланса режущего инструмента. Отсутствие специального фундамента.  Вес 980 кг.  Мобильность. Использование на  лесосеках (Финляндия, Швеция).  Снижение транспортных расходов и себестоимости продукции.

Однако. Наличие значительной мощности при распиловке бревен большего диаметра и тем более несколькими дисковыми пилами (модель Ц8Д-8М, при весе около 5000кг,  мощности 116 кВт и толщине распиливаемого бруса всего лишь 180 мм, но при высокой скорости подачи).

Сложность технологии изготовления дисковых пил большого диаметра (на уровне искусства). Увеличение  ширины распила до 6,0 мм при увеличении диаметра бревна (дисковой пилы), повышенные потери материала. Малая рентабельность распиловки маломерного леса.

Малый срок работы дисковой пилы между двумя перезаточками  (2…4 часа), а это —  дополнительные операции по перестановке с сопутствующей потерей производительности.

Ленточнопильное оборудование.

 Wood-Mizer ,  Гравитон, ПГ-40, ПГУ-500М.  Мобильность (вес=1310кг). Достаточно высокое качество обработанной поверхности при малой подаче. Малое энергопотребление. Возможность обработки бревен с диаметром до 1000мм. Повышенный коэффициент использования материала при малой ширине пропила (до 2,5..3,0 мм).

Однако.  Относительно малая производительность – 3…6 куб. м. в смену. Малый ресурс работы полотна и малый объем пиловочника  обрабатываемого за время между двумя перезаточками (сменой лезвия) – 1,0…1,2 куб.м. а это —  дополнительные операции по перестановке с сопутствующей потерей производительности. Малая рентабельность распиловки маломерного леса.

Высокая затратность снабжения полотна твердосплавными режущими элементами.

 Сложность обслуживания зарубежных образцов. Их зависимость по ремонту и запчастям. Практическое отсутствие отечественных высококачественных ленточных пил, т.е. зависимость от импорта (США, Швеция, Германия).

Анализ характерных преимуществ и недостатков существующего лесопильного оборудования приводит к выводу о необходимости создания оборудования с конструкцией принципиально иного структурного вида, объединяющей преимущества и исключающей недостатки имеющихся устройств:

с движением инструмента, обеспечивающим его динамический баланс и, следовательно, малый вес,   — с круговым и поступательным одновременно;

без потерь на возвратно-поступательное движение пильной  рамки, но при наличии такого же количества пильных полотен (не менее 12);

с толщиной полотна близкой к ленточной пиле, но снабженной твердосплавными режущими элементами;

простого, надёжного, ремонтопригодного, мобильного, отечественного;

без специального фундамента, мобильного;

с минимальными энергозатратами при изготовлении самого оборудования, а также при самой распиловке;

с малым энергопотреблением, в том числе, автономным.

с ценой обеспечивающей экономическую целесообразность его использования .

Такой вид оборудования, революционный по замыслу и блестящий по конструкторскому исполнению, разработан профессионалами Миноборонпрома СССР и учеными МГТУ им. Н.Э.Баумана. Опытные образцы станка изготовлены и испытаны в рамках ИРПИ и НИОКР «Шершень». Базовые модификации подготовлены к мелкосерийному выпуску с целью проведения натурных испытаний и последующему серийному производству.

Разработанное устройство должно найти широкое применение на малых предприятиях лесопильной, деревообрабатывающей и мебельной промышленности.

И главное. Станок с конструктивной схемой «коленчатой пилы» имеет перспективу развития, по аналогии с первым самолётом Уточкина, паровозом Ползунова, радиотелефоном и пр. Это относится к снижению себестоимости изготовления самого станка, повышению его производительности, улучшению параметров ресурсосбережения, а также увеличению номенклатуры выпускаемого пиломатериала с повышенными характеристиками и д.р.

 

Читателям настоящей статьи возможно не известно, что идея такого «коленчатого станка» (рис.1) появилась более чем 150-200 лет назад. Даже на первый взгляд конструкция имеет множество преимуществ перед аналогами по функциональному назначению: динамическая уравновешенность движущихся узлов, малый вес, простота конструкторского воплощения, малое энергопотребление.

Немного истории.

Попытки создания станков, по представленной схеме пильного блока, предпринимались в США, Финляндии, СССР и России, но не имели успеха.

Совершенно неожиданно, простая по схеме, конструкция «коленчатой пилы» оказалась наукоёмкой задачей. Математики МГУ (Москва), привлечённые к её решению, твёрдо заявили, что движение пильных модулей, где верхние и нижние шарнирные узлы соединёны упругой связью с однонаправленной жёсткостью (пильными полотнами), представляет собой хаос! То есть предложенная задача, по их мнению, не имеет математического решения. Возможно, так оно и есть.

Однако, не смотря на простоту принципиальной схемы и заложенные в ней научные и конструкторские секреты, решить проблему создания «коленчатой пилы» удалось только учёным и конструкторам, — выпускникам МГТУ (МВТУ) им. Н.Э.Баумана. Для этого разработчикам потребовалось 12 лет, чтобы разобраться в четырёхуровневой задаче создания этой простой в исполнении конструкции и определить пути её совершенствования с использованием современных материалов (рис.2).

Известные реальные прототипы «коленчатой пилы» устойчиво работали при угловых скоростях вращения валов не более 1000 оборотов в минуту, что являлось явно недостаточным с точки зрения достижения необходимой производительности станка. Попытки повышения частоты вращения до 1500 оборотов в минуту приводили к динамической потере устойчивости пильных полотен, когда полотна изгибались, скручивались, вплоть до соударений друг о друга боковыми поверхностями. Именно поэтому, проблему обеспечения динамической устойчивости пильных полотен стали рассматривать как основную проблему, без решения которой, создать станок не представлялось возможным.

За рубежом и в России поиск причин возникновения динамической неустойчивости и конструктивных решений, которые бы позволили избежать этого нежелательного явления, продолжался достаточно долгое время, но не дал положительных результатов. Как представляется сейчас, связано это было с тем, что основное внимание конструкторов было уделено учету влияния допусков на изготовление деталей станка, выбору технологических зазоров, анализу изменения линейных размеров пильных полотен при нагревании, а также жесткой кинематической связи валов для их синхронизации и т.п.

Безусловно, данные исследования представляли большой практический интерес, однако, как было выявлено, влияние этих факторов, с позиций обеспечения устойчивых режимов движения пильных полотен и самого пиления, не является определяющим.

Следует отметить, что использование жестких реечных синхронизаторов валов, обладающих значительной несбалансированной инерционной массой, кроме всего прочего, приводило к существенному увеличению веса конструкции станка и к её недопустимой повышенной вибрации.

Анализируя описанные в литературных источниках попытки создания «коленчатого» станка (известного также под названием – «коленчатая пила») можно отметить, что практически все они неизменно сопровождались требованием жёсткой синхронизации вращения «коленчатых» валов с помощью дополнительных устройств. Схемы передачи движения от ведущего вала к ведомому валу непосредственно через пильные полотна практически не рассматривались.

Резюмируя вышеизложенное, отметим, что предложенные различные, казалось бы, очевидные конструктивные модификации станка, использующие схему синхронизации коленчатых валов с помощью жесткой кинематической связи, к успеху не привели.

Следует заметить, что в процессе разработки нового станка с названием «Шершень» было вскрыто несколько причин возникновения потери устойчивости пильных полотен — изгибов полотен различного характера. Причин, вызывающих потери устойчивости полотен, с эффектами, трудно отличимыми друг от друга по фактору их происхождения. Необходимо было установить причинно-следственные связи негативных эффектов, а причины выявить и устранить.

Анализ сил, действующих в пильном модуле.

Для ответа на первый уровень вопросов о причинах потери устойчивости полотен макетного образца «коленчатой пилы» при 1000-1200 оборотов валов в минуту был проведён анализ сил, действующих в пильном модуле и обоснование принципиальной структурной схемы пильного модуля в пильном блоке. Другие ответы второго, третьего и четвёртого уровня задач принципиально иного характера, ждали своего часа. Однако всё по порядку.

На рис.3 представлена конструкция разработанного пильного блока, схема которого соответствует принципиальной схеме «коленчатой пилы», представленной на рис.1

Сердцем станка «Шершень» (рис.2) является пильный блок, объединяющий в себе пильные модули, каждый из которых состоит из – пильного полотна-1, верхнего шарнирного узла -2 с элементами подвижной фиксации пильного полотна и корректирующей массой, упругих элементов — 3, нижнего шарнирного узла — 4 с элементами крепления пильного полотна и корректирующей массой.

 

Рис. 1. Принципиальная схема «коленчатой пилы» с круговым поступательным движением пильных полотен.

 

Рис.2. Опытный образец многопильного станка «Шершень», модели М2001 с круговым поступательным движением пильных полотен.

Шлицевые валы 7 и 8 пильного блока (рис.3) снабжены эксцентриками 10, на которых установлены подшипники и шарнирные узлы 2 и 4 пильных модулей.

Валы установлены параллельно друг другу и закреплены в подшипниковых опорах 9, размещённых в боковых стойках 5  пильного блока. Пильные модули синхронизируют вращение валов пильного блока.

Шарнирные узлы каждого пильного модуля размещены на эксцентриках, повернутых на валах друг относительно друга на заданный угол. Эксцентрики могут перемещаться вдоль оси валов и фиксироваться, обеспечивая пильным модулям строго определённые взаимные расположения для выпиливания досок различной толщины.

В базовом варианте пильный блок включает в себя шесть пильных модулей с их взаимным угловым расположением, обеспечивающим уравновешивание инерционных усилий, действующих на опоры валов.  Таким образом, усилие на опоры валов возникают только от сил натяжения полотен.

Крепление пильных полотен осуществляется в шарнирных узлах с одновременным фиксированным подвижным усилием натяжения упругими элементами.

 

Рис.3. Пильный блок станка модели М2001: 1– пильные полотна, 2– верхний шарнирный узел с элементами подвижной фиксации пильного полотна и корректирующей массой, 3 – упругие элементы, 4 – нижний шарнирный узел с элементами крепления пильного полотна и корректирующей массой, 5 – боковая стойка, 6 – шкив нижнего вала пильного блока, 7 – верхний вал, 8 – нижний вал, 9 – подшипниковые опоры валов, 10- эксцентрик

Выявление основной причины, вызывающей явление потери устойчивости пильных полотен, следует начать с анализа кинематической и силовой схем пильного модуля, являющегося универсальной структурной единицей пильного блока. Основой для такого анализа служат кинематические и прочностные расчеты как пильного модуля в целом, так и его отдельных элементов совершающих круговое поступательное движение.

Заметим, что исследуемые динамические характеристики пильного модуля определяют уровень потребительских свойств и эксплуатационных характеристик разрабатываемого станка в целом.

Принципиальная схема пильного модуля, а также основные элементы и параметры пильного модуля коленчатой пилы представлены на рисунке 4.

Рис. 4.  Принципиальная схема пильного модуля станка модели М2001. 1- кривошип, 2-шарнирный узел крепления полотна, 3-пильное полотно, 4-устройство баланса

Важным исполнительным звеном пильного модуля является пильное полотно. Конструкция полотна и характер траектории его движения определяют качество поверхности распила и точность выполненных размеров пилопродукции. Производительность и ранее отмеченные функциональные параметры станка являются основными производными показателями пильного модуля.

При необходимости один пильный модуль станка модели М2001может быть снабжён одним, двумя или тремя пильными полотнами, при наличии 6-ти пильных модулей.

В качестве основных элементов пильного модуля (см. рис. 4) выделим: кривошипы – 1, шарнирные узлы крепления полотна – 2, устройство баланса –  4 и пильное полотно — 3.

Пильное полотно закреплено в двух шарнирах, расположенных на нижнем и верхнем кривошипах и валах, соответственно, осуществляющих вращение относительно осей – О.  Шарнирные узлы крепления пильного полотна свободно вращаются относительно осей О₁.

В первом приближении целесообразно предположить, что угловая скорость вращения обоих кривошипов одинакова и постоянна .

При проведении уточнённых расчетов проанализирована возможность возникновения крутильных колебаний валов, при наличии которых данное предположение выполняется приближенно.

Рассмотренная система элементов пильного модуля задаёт и обеспечивает круговое поступательное движение пильного полотна при вращении ведущего коленчатого вала и наличии блока из шести пильных модулей, отличных друг от друга по своему угловому расположению на 60^о. Оси ведущего и ведомого вала закреплены в подшипниковых узлах стоек пильного блока. С помощью специального устройства, расположенного на стойках, обеспечивается предварительное натяжение каждого из пильных полотен  усилиемF₀ .

В стандартном исполнении станка используется 6 модулей. На рисунке 4  показан один пильный модуль. В качестве принципиальной особенности кинематической схемы станка следует отметить следующее. Вращение от ведущего вала к ведомому валу передается непосредственно через пильные полотна. Величина дополнительного усилия DF является функцией угла поворота и изменяется в определенных пределах. При значениях угла 3p/2 < j_к < p/2 в полотне возникает дополнительное усилие растяжения, а при значениях угла p/2 < j_к < 3p/2 – дополнительное усилиесжатия. При неправильной балансировке в узлах крепления пильных полотнах помимо осевых усилий могут возникать горизонтальные усилия и моменты, которые также передаются через пильное полотно. Отмеченный эффект, при отсутствии устройства баланса – 4 в каждом шарнирном узле пильного модуля, оказывается весьма существенным.

В процессе проектирования учитывалось важное обстоятельство, заключающееся в том, что пильное полотно, нагруженное в области задней кромки осевой сжимающей силой, при определенном критическом усилии сжатии  F_кр, может потерять устойчивость. Что же касается усилия растяжения, то пильное полотно, находясь в зоне упругих деформаций, выдерживает растягивающее усилие, многократно превосходящее по величине критическое сжимающее усилие. Создание в пильном полотне усилия предварительного натяжения с помощью вальцевания несколько препятствует появлению в нём сжимающих напряжений, и как следствие, не позволяет полотну потерять устойчивость статическим образом  (по Эйлеру).

Отметим, что усилие предварительного натяжения F₀  приложено с эксцентриситетом относительно центра тяжести поперечного сечения пильного полотна. Дополнительные эффекты, связанные с этим обстоятельством, будут проанализированы в последующих разделах.

Подводя итог нашим рассуждениям, отметим:

– пильное полотно, вследствие возможности изгиба при сжатии обладает существенно меньшей жесткостью, чем при  растяжении;

– статически устойчивое состояние пильного полотна будет обеспечено, если усилия предварительного натяжения полотна превосходят (или равны) по величине сжимающим силам, которые могут возникнуть в полотне на режимах холостого хода и при пилении.

Анализ инерционных сил, действующих в пильном модуле.

При круговом поступательном движении пильного модуля, в текущем положении, характеризующемся углом поворота кривошипа – j_к  (см. рис. 4), на все звенья механизма действуют инерционные силы [1, 2, 3, 4].

Рассмотрим верхний шарнирный узел 2, обладающий возможностью свободного вращения вокруг оси кривошипа  О₁.

Масса шарнирного узла, как жесткой недеформированной конструкции, может быть аппроксимирована точечной массой М_ш, помещенной в центр тяжести конструкции. Что же касается пильного полотна, то, строго говоря, вследствие деформации как самого полотна, так и упругого элемента, центр тяжести полотна может несколько изменять свое положение. По этой причине при составлении математической модели полотно следует рассматривать как систему с распределенными параметрами, или приближенно заменить многомассовой системой [5]. В первом приближении ограничимся рассмотрением пильного полотна как двухмассовой системы (см. рис. 4).

Усилие предварительного натяжения F₀ не создает в пильном модуле момента сил относительно точки О₁, чего нельзя сказать об инерционных усилиях F_ш и F_п, возникающих при вращении как в шарнирном узле, так  и в пильном полотне, соответственно.

Взаимный поворот шарнирных узлов крепления полотна в едином модуле ограничен только пильным полотном и может возникнуть только за счет деформирования последнего. При этом в полотне возникает изгибающий момент М, действующий в плоскости максимальной жесткости полотна. Поворот шарнирных узлов возможен, если пильное полотно будет изгибаться в своей плоскости, т.е. в плоскости максимальной жесткости. При таком нагружении возможна реализация потери устойчивости пильного полотна с выходом из плоскости изгиба [6, 7, 8]. Именно такие формы потери устойчивости полотен, характеризуемые изгибом, скручиванием, вплоть до соударений друг о друга боковыми поверхностями, наблюдались в макетных и опытных образцах станков с жесткой и иной синхронизацией вращения коленчатых валов.

Можно предложить следующий механизм, объясняющий причины возникновения нежелательных эффектов, характеризующихся потерей пильным полотном прямолинейной формы. При увеличении угловой скорости вращения коленчатых валов пильного блока инерционные силы и сопутствующие им изгибные моменты в пильном модуле возрастают и могут превысить определенные критические значения, при которых реализуется процесс потери устойчивости пильных полотен с выходом из плоскости изгиба. При этом шарнирные узлы существенно изменяют взаимное угловое расположение, что, в свою очередь, приводит к нестабильности процесса кругового поступательного движения пильных полотен. В пильном блоке, объединяющем до шести пильных модулей, становится возможным как возникновение резонансных колебательных режимов с возрастающей амплитудой, так и режимов хаотических колебаний. Отметим, что использование синхронизации вращения коленчатых валов пильного блока с помощью жёсткой кинематической связи не устраняет рассмотренный эффект, поскольку синхронизируются не шарнирные узлы, а только валы, на которых эти шарнирные узлы расположены.

Для того чтобы минимизировать взаимный поворот шарнирных узлов и, как следствие, появление нежелательных изгибающих моментов в пильном полотне, нужно поступить следующим образом. Прежде всего, используя методы балансировки [9,10,11], необходимо минимизировать момент инерционных сил, действующий в шарнирном узле относительно оси О₁.  С этой целью предложено снабдить шарнирный узел дополнительной балансировочной массой (устройством баланса – деталь «корректор»), которое позволяет совместить центр массы системы: шарнирный узел – пильное полотно – устройство баланса с осью вращения шарнира О₁.

Предложенное техническое решение позволяет существенно снизить вероятность, а при «идеальной» балансировке и высокой частоте вращения полностью избежать потери устойчивости пильных полотен с выходом из плоскости изгиба.

Следует отметить, что рассмотренная выше схема является упрощенной, поскольку идеализирует реальную конструкцию.

Для реальной конструкции характерное положение верхней части пильного модуля таково, что центр приведённой массы не находится на линии О₁ – О₁, соединяющей оси нижнего и верхнего валов.

Важно отметить, что периодическое изменение усилия натяжения пильного полотна может явиться причиной возникновения нежелательных параметрических колебаний.

Напряжённое состояние каждого полотна пильного блока должно быть, по возможности, стабильным во времени и с одними и теми же характеристиками частот собственных колебаний. Несколько выровнять величину дополнительного усилия можно за счет использования упругих компенсационных элементов. Расчет упругих элементов представлен ниже.

Предложенное в настоящей работе техническое решение задачи обеспечения устойчивости 3-х звенной системы, осуществляющей равномерное круговое поступательное движение, со средним исполнительным звеном, имеющим «однонаправленную жёсткость», защищено автором 3-мя патентами на изобретение.

В данной статье, в силу ограниченности места для изложения, приведен не весь анализ инерционных сил, действующих в пильном модуле, позволяющий выявить только одну (главную) из основных причин, вызывающую явление потери устойчивости пильных полотен, уже при частоте их кругового поступательного движения превышающего значение 1000 оборотов минуту. Как мы видим, первая и основная причина, как первый раскрытый секрет в создании «Шершня», укрылась в распределении масс пильных модулей, являющихся составляющей и основной частью пильного блока станка «Шершень» (рис.3), где главную роль играют корректирующие массы, введённые в шарнирные узлы п.2 и п.4. Данное решение защищено патентом на изобретение за №2292259 от 21.02.2005.года и получило положительное заключение международной предварительной экспертизы по системе РСТ.

Практические результаты ИРПИ и НИОКР «Шершень»

Несмотря на унылое многообразие, имеющегося на рынке лесопильного оборудования, перспективным станком для предприятий малого лесопиления можно назвать станок  «Шершень» с его использованием  в качестве станка второго ряда для раскроя на обрезные доски двухкантного бруса, подготовленного любым имеющимся на предприятии головным оборудованием или простейшим ленточнопильным станком. В некоторых случаях основную ценность он может приобрести при распиловке маломерного леса или изготовлении ламели!

Станок предназначен для комплектации предприятий малого лесопиления с производительностью от 5 до 50 куб. метров (железнодорожный вагон) сырья (брёвен) в смену.

Конструктивно станок состоит из пильного блока и механизма подачи. Механизм подачи может быть любой. В пильном блоке передача вращательного движения от нижнего вала верхнему осуществляется пильными полотнами шести пильных модулей. Их круговое движение обеспечивает поочередность  работы резания, когда пилит оно полотно (или два или три), а остальные 5 (или 10 или 15) находятся в режиме отдыха. Такая схема привлекательна с разных сторон.

Принципиальными, отличительными характеристиками (по сравнению с лесорамой Р63-4Б, а также РМ-50) и особенностями станка являются:

1. Снижение в 1,5…4 раза (в зависимости от характерного размера бревна, заготовки) энергозатрат на распиловку единицы обрабатываемого материала по сравнению с отечественными и зарубежными образцами (пилорамами с возвратно-поступательным движением пильной рамки), что обеспечивается принципиально иной технологией задания движения резания.

2. Снижение  энергопотребления  в  2,5…4 раза, поскольку, в любой момент времени,  процесс пиления осуществляется только одним (из шести) пильным модулем, снабжённым одним, двумя или тремя пильными полотнами. При этом общее количество пил, соответственно, — 6, 12 или 18.

3. Снижение веса самого станка в 3…4  раза за счет замены  возвратно-поступательных движений пильных полотен на их круговое поступательное движение и обеспечения динамического баланса действующих инерционных сил, появляющихся в результате вращения валов пильного блока.

4.  Улучшение качества поверхности распила за счет 2-х кратной обработки каждой единицы поверхности 3-мя рядом расположенными зубьями (режущими элементами).

5.  Повышение коэффициента использования древесины более чем на 10%, при повышении точности распиловки (разнотолщинности по длине доски) с параметра ± 1,0…2,0мм (средняя толщина доски = 23мм) до значения ± 0,1…0,3мм, т.е. в пределах зоны упругости обрабатываемого материала. При этом толщина пильного полотна =1,47 мм.

6.    Вес и габариты станка,  практическое отсутствие  динамических  сил в опорах позволяет осуществлять рабочий монтаж станка на барже, железнодорожной платформе, ином немассивном фундаменте, или без него, а также использовать его при разработке лесных ресурсов в труднодоступных районах с малым автономным энергопотреблением и одновременно высокими потребительскими качествами пиломатериала.

7.  В любой момент времени силы резания прижимают брус или бревно к нижним подающим вальцам, увеличивая эффект верхних прижимных вальцов и, поэтому, не требует дополнительного оборудования гидравлики, компрессора, а также соответствующего обслуживающего персонала.

8. Возможно изготовление модели, которая позволяет осуществить достаточно быстрый (8…12 часов) перевод станка из режима пиления бруса в режим пиления маломерного леса или брёвен. Перевод осуществляется заменой пильных модулей с иными пильными полотнами, при использовании имеющегося (ранее приобретённого) стандартного механизма подачи, присоединяемого к станку.

Практическая ценность представленного станка заключается   в энергосбережении при распиловке, при изготовлении самого оборудования (малая металлоемкость), а также при реализации использования лесных ресурсов в труднодоступных районах с малым автономным энергопотреблением и одновременно высокими потребительскими качествами пиломатериала.

Станок модели М2001 предназначен для распиловки брёвен и бруса, а станок модели М2005 является станком второго ряда, вобравшим в себя все последующие аналитические и конструкторские решения. На его базе можно, заменив пильные модули, производить дощечки или ламель толщиной 4…6 мм, а также обеспечивать подачу ПАВ непосредственно в пропил для удаления смолистых веществ из межзубовых впадин полотен в процессе распиловки.

Основные сравнительные технические характеристики моделей М2001, М2005, Р63-4Б (Р63-8), РМ-50 представлены таблицей 1.

     Таблица 1

№ п/п	Параметры	М2001, М2005	Р63-4Б	РМ-50,
	Ширина просвета пильной рамки, мм	630	650	450
	Максимальная толщина  бруса (бревна), мм	175х 560; 275х560	560	240
	Толщина полотна, мм	1,47 -1,6	2,0 –3,0	1,2-1,47
	Число пил (полотен), шт	6 — 12 — 18	3 – 12	до 19
	Количество зубьев с твёрдым сплавом на одном полотне:	8 (брус 175 мм) 12 (брус 275мм)	Не менее 30	Не менее 15
	Время работы между перезаточками, час	40 — 60	4 — 6	Данных нет
	Количество режущих импульсов в минуту	2500 – 2800	285	265
	Подача бревна, бруса, м/мин	0,1 – 2,0	1 – 10	0,42-1,6
	Кол-во электродвигателей, шт	2	4	2 + компрессор
	Общая установленная мощность эл.двигателей, кВт	8,75…11,75…. …15,75	43,0 — 52,4	11-15
	Габариты, м	1,6х1,0х1,1	2,18х2,55х3,0	2,42х1,2х2,02
	Масса станка, лесорамы), кг	До  900	3500	1900
	Наличие фундамента	Без фундамента	Обязателен	Лёгкий

Литература.

1. Артоболевский И. И. Теория механизмов и машин. — М.: Машино­строение, 1975. – 548 с

2. Баранов Г. Г. Курс теории механизмов и машин. – М.: Машиностроение, 1974. – 426 с.

3. Остроумов И.П., Дерягин Р.В. Резервы роста производительности рамного пиления //Межвуз. сб. науч. тр. ЛЛТА им. Кирова – 1979. –Технология и оборудования деревообрабатывающих производств. – С. 12-15.

4. Работнов Ю.Н. Механика  деформируемого твердого тела.– М.: Наука, 1979. – 744 с.

5. 132. Светлицкий В.А.,Нарайкин О.С. Упругие элементы машин.- М.: Машиностроение, 1989. – 264 с.

6. Бидерман В.Л. Теория механических колебаний. – М.: Высш. школа, 1980. – 408с.

7. Воскресенский C.А. Резание древесины. М.-Л.: Гослесбумиздат, 1955. – 190с.

8.  Фергин В.Р. Интенсификация процессов пиления древесины. – М.: Лесная промышленность, 1988. – 144с.

9. Дерягин Р.В., Боричев Ю.А. Влияние вибрации станин лесопильных рам на качество пиломатериалов // Деревообраб. пром-сть. 1973.- № 12.- С. 5-8.

10. Кливер В.И., Шабалин Л.А., Новосёлов В.Г. и др. О надёжности механизма  привода резания лесопильной рамы 2Р 63-1 с торовой муфтой. – В кн.: деревообрабатывающее оборудование. Вып. 10. М., 1980, С 6-9.

11. Остроумов И.П., Дерягин Р.В. Резервы роста производительности рамного пиления //Межвуз. сб. науч. тр. ЛЛТА им. Кирова – 1979. –Технология и оборудования деревообрабатывающих производств. – С. 12-15.

Предприятиям машиностроительного комплекса предлагается заключить лицензионный договор и загрузить имеющиеся мощности для серийного производства модификаций ресурсосберегающего станка «Шершень».

Авторы:

Гаврюшин С.С., зав кафедрой РК-9 МГТУ им. Н.Э.Баумана, д.т.н., профессор.

Блохин М.А, к.т.н,

 Контактный тел. для городов России: +7-(915)-301-78-74,

E-mail: hornet10@yandex.ru,