Ориентировочная потребность рынка оборудования, аналогичного станку «Шершень» для центральных областей России может составлять от 500 до 2000 единиц в год, что зависит от эффективности рекламы, гибкости ценовой политики, обеспечения специальных требований отдельных потребителей и т.п.

Н.М.Большаков. Профессор, директор Сыктывкарского лесного института (филиала) Санкт-Петербургской государственной лесотехнической академии им. С.М.Кирова

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.

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

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

В статьях с названием «Первый секрет «Шершня»» и «Второй секрет «Шершня»»  были показаны две принципиально разные причины возникновения потери устойчивости пильных полотен в станке с круговым поступательным движением полотен. В обоих случаях фиксировались изгибы полотен похожего характера, но трудно отличимых по причинам их возникновения.

Первая и основная причина потери устойчивости полотен укрылась в распределении масс пильных модулей (рис.1), являющихся составляющей и основной частью пильного блока станка «Шершень» (рис.2), о чём было рассказано в статье «Первый секрет «Шершня»».

После устранения причин потери устойчивости (изгиба) полотен из-за неуравновешенности вращающихся масс пильных модулей, при частоте вращения валов более 1000 об/мин, возникла новая необходимость определения причин, но уже резонансных колебаний пильных полотен при частоте вращения валов более 1800 об/мин. Оказалось, что совокупность напряженного состояния  и геометрии полосовой пилы или ленточного полотна определяет их динамические характеристики и зоны резонансных колебаний, нарушающих нормальный режим резания.

Задача определения зон резонанса – одна из основных в разработке пильных полотен нового и уже эксплуатируемого оборудования была рассмотрена в статье «Второй секрет «Шершня»».

Однако результаты испытаний многопильного станка «Шершень» следующей модели М2002 (для распиловки двухкантного бруса) резко отличались от расчётных величин зон резонансных частот пильных полосовых полотен. Многочисленные испытания с изменением геометрии полотен, эксцентриситета растяжения, усилий натяжения, углов заточки зубьев и шагов зубьев лишь усложняли восприятие причины возникающих резонансов на частотах более 1850 оборотов в минуту.

Ещё раз мы обнаружили факт того, что простая по схеме конструкция «коленчатой пилы», реализованная в пильном блоке на рис.2, оказалась наукоёмкой задачей с несколькими степенями сложности выяснения причин потери устойчивости полотен во время их кругового поступательного движения.

Нужен был качественно иной подход в решении задачи динамического поведения полотен в комплексе с шарнирными узлами, их пространственным поведением и их массовыми характеристиками. И такое решение было найдено. Для этого была создана новая программа расчёта ПК, требующая знаний в области динамики и прочности, математики, лесопиления, а также программирования.

Исследование и расчёт динамических характеристик пильных полотен с учётом массы шарнирных узлов и условиями их вращения вёлся для пильных модулей, представленных на рис. 1.

 

Рис. 1.  Конструкция пильного модуля станка «Шершень». 1-верхний шарнирный узел, 2-эксцентрик, 3-кольцо, 4-кольцо пыльник (из фторопласта), 5-пружинное кольцо (запорное), 6-радиально-упорный подшипник, 7-вал шлицевой, 8, 9- крепёж верхнего шарнирного узла, 10-упругий элемент (скоба), 11-пильное полотно, 12, 13-крепёж нижнего шарнирного узла, 14-нижний шарнирный узел, 15-устройство баланса (корректирующая масса) со шпилькой, 16-пружинное кольцо (запорное)

 

 Рис.2. Пильный блок станка «Шершень»: 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

Основные расчётные параметры были взяты у станка «Шершень» с откорректированной конструкторской документацией модели М2005. Основными типоразмерами пильных полотен были выбраны два варианта: с рабочей свободной длиной 250 мм и 350 мм для получения пиломатериала  шириной от 30 мм до 175 мм и от 30 мм до 275 мм, соответственно. Толщина выпиливаемых досок находится в пределах от 15 мм и более, в соответствие с принятым в СССР ГОСТом.

Расчёты динамических характеристик полотен велись методом конечных элементов (КЭ), реализованном в программном комплексе APM WinMachine. APM WinMachine – это CAD/CAE система автоматизированного расчета и проектирования механического оборудования и конструкций в области машиностроения, разработанная с учетом последних достижений в вычислительной математике, области численных методов и программирования, а также теоретических и экспериментальных инженерных решений. Формулировка основных соотношений МКЭ освещена в нижеуказанной и иной научной литературе.

Процедуры численного интегрирования реализованы в программном комплексе MATLAB.Для проверки достоверности получаемых результатов использовались тестовые задачи и параллельный расчёт в программном комплексе Wolfram Mathematika.

Принципиальными отличиями расчётов являлись условия пространственного вращательного движения шарнирных узлов пильных модулей с их реальными массовыми характеристиками.

Как выяснилось, использование типа подшипников (шариковые или роликовые) в шарнирных узлах пильных модулей, резко меняет динамику всего пильного модуля, включая полотно.

Расчёты велись с условием того, что массы шарнирных узлов размещены в точках центров вращения шарнирных узлов исследуемого пильного модуля.

Целью расчётов являлось определение влияния массы шарнирных узлов и их деталей на резонансные характеристики пильного полотна со свободной длиной 250 мм с различными условиями вращения узлов при усилии натяжения полотна 1000 Н, 1500 Н, 2000 Н. Расчётная модель пильного полотна представлена на рис. 4.

Показательные результаты расчётов приведены в таблицах 1 и 2  для случаев:

1. С учётом массы шарнирных узлов и без возможности их вращения вокруг двух других пространственных осей, т.е. с возможностью вращения только в плоскости полотна. Данные условия соответствуют установке сдвоенного радиального шарикового подшипника или радиального роликового в шарнирных узлах пильного модуля.

2. С учётом массы шарнирных узлов и возможности их вращения вокруг двух других пространственных осей, а не только в плоскости полотна. Данные условия соответствуют установке однорядного радиального шарикового подшипника с защитной шайбой в каждом шарнирном узле пильного модуля.

Геометрические размеры исследуемых полотен толщиной 1,47мм (свободная рабочая длина 250 мм и 350мм) представлены на рис. 3.

 

Рис. 3. Геометрические размеры исследуемых полотен станка модели М2005 для распиловки заготовки толщиной от 30 до 175 мм и от 30 до 275 мм.

Расстояние между центрами вращения шарнирных узлов выбраны из конструктивных соображений и равно 514 мм, что соответствует расстоянию между осями шлицевых валов пильного модуля (поз.7 рис. 1).

 

Рис. 4. Расчётная модель пильного полотна

 

Формы различных видов колебаний пильных полотен представлены на рис. 5.

Анализ полученных результатов, представленных расчётов и испытаний даёт основание утверждать, что возможность колебаний шарнирных узлов в плоскости (yz) перпендикулярной плоскости их подшипников (шариковых) и проходящей через оси валов ведёт к резкому понижению частоты собственных колебаний пильного полотна.  Это очень важный вывод, объясняющий причину отличия теоретических расчётов и результатов испытаний станка опытной модели М2002, когда реальная частота резонанса пильных полотен наступала ранее расчётной.

В реальной конструкции колебания шарнирных узлов в плоскостях, перпендикулярных плоскости их подшипников и проходящих через оси валов, возможны при установке шарнирных узлов на единичные шариковые подшипники. При этом шарнирные узлы пильных модулей с шариковыми подшипниками имеют диапазон разворота аналогичный развороту наружного кольца подшипника относительно внутреннего кольца в пределах угла  ±15′ (рис.6).

Рис. 5. Формы различных видов колебаний пильных полотен со свободной длиной = 250 мм при возможности у шарнирных узлов вращаться (колебаться) только в плоскости полотна, а также дополнительной возможности колебаться  в двух других плоскостях (yz и xz)

 

Рис.6. Разворот наружного кольца радиально-упорного  шарикового подшипника равный значению угла δ = ±15′ относительно его внутреннего кольца только за счёт радиального зазора. 1- наружное кольцо, 2 — внутреннее кольцо,

3 — шарик подшипника. Показано условно.

Необходимо помнить, что производительность станка ограничивается  предельной рабочей частотной зоной пильного блока, соответствующей первой форме собственных колебаний пильных полотен в пильных модулях. Поэтому исследование и расчёт динамических характеристик пильных полотен является одной из самых важных составляющих в разработке станков модельного ряда с круговым поступательным движением пильных полотен.

Резюмируя вышеизложенное следует признать необходимость использования в шарнирных узлах сдвоенных радиальных шариковых подшипников или радиальных роликовых подшипников, не дающих шарнирным узлам вращаться (колебаться) в плоскостях, принадлежащих осям валов. Сделанные выводы были реализованы в конструкции пильных модулей станка «Шершень» модели М2002 и М2005 (рис.7).

Так был «расшифрован» и учтён 3-й секрет «Шершня» — причина нестабильного поведения пильных модулей в процессе холостого хода на частоте вращения более 1800 оборотов в минуту, что демонстрируют результаты, подтверждённые экспериментом.

Но нас ждал и 4-й секрет, заложенный в распределении сжимающих и растягивающих напряжений в плоскости пильных полотен, а также в особенности процесса пиления и экстракции опилок из зоны резания.

Надеемся, что представленная информация о расчётах и конструировании пильного модуля, в составе созданного универсального высокопроизводительного энергосберегающего технологического блока для распиловки древесины, поможет отечественным производителям пиломатериалов и станков правильнее ориентироваться в динамических процессах элементов оборудования по выпуску пиломатериалов.

 

Рис. 7. Общий вид станка «Шершень» модели М2002 для распиловки двухкантного бруса

с частично снятым кожухом.

Литература.

1. Бате К., Вилсон Е. «Численные методы анализа и метод конечных элементов», пер. с англ., М.: Стройиздат, 1982, 448с.

2. Белкин А. Е., Гаврюшин С. С. Расчет пластин методом конечных элементов/ — М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2003. – 151с.

3. Белкин А. Е., Гаврюшин С. С. Расчёт пластин методом конечных элементов: Учеб. пособие. — М.: Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2008. — 232 с.

4. Бидерман В. Л. Прикладная теория механических колебаний. М., «Высшая школа», 1972г. 416с.

5. Бурман З.И.,Артюхин Г.А.,Зархин Б.Я.Программное обеспечение матричных алгоритмов и метода конечных элементов в инженерных расчетах.- М.: Машиностроение,1988.-254с.

6. Гаврюшин С. С., Барышникова О. О., Борискин О. Ф. «Численные методы в проектировании гибких упругих элементов», Калуга 2001. 198с.

7. Григолюк Э.И., Шалашилин В.И. Проблемы нелинейного деформирования: Метод продолжения решения по параметру в нелинейных задачах механики твердого деформируемого тела.-М.: Наука, 1988.-232 с.

8. Гуляев В.И., Баженов В.А., Попов С.Л. Прикладные задачи теории нелинейных колебаний механических систем. М.: Высшая школа, 1989.-383 с.

9. Дерягин Р. В. О динамической устойчивости рамных пил // Изв. вузов. Лесн. журн. – 1969.-№5.-С.89-94

10. Дерягин Р. В. Оценка устойчивости рамных пил при комбинационных резонансах // Изв. вузов. Лесн. журн. – 1987.– №5. – С. 65-69

11. Галлагер Р. Метод конечных элементов: Основы.-М.: Мир, 1984. — 428 с.

12. Голованов А.И.,Корнишин М.С. Введение в метод конечных элементов статики тонких оболочек.- Казань:Изд-во Казан. физ.-тех. ин-та,1990.-269 с.

13. Крылов О.В. Метод конечных элементов и его применение в инженерных расчетах: Учеб. Пособие для вузов. – М.: Радио и связь, 2002. – 104 с., ил.

14. Курков С. В. «Метод конечных элементов в задачах динамики механизмов и приводов» СПб.: Политехника, 1991, 223с.

Авторы:

Блохин М.А, к.т.н.

Прокопов В.С., к.т.н.