СПОСОБ ОПТИМИЗАЦИИ ПОЛУЧЕНИЯ ДРЕВЕСНОЙ ЩЕПЫ НА ДИСКОВЫХ РУБИТЕЛЬНЫХ МАШИНАХ
Рубцов Ю.В., Рудько С.В (КнАГТУ, г. Комсомольск-на-Амуре, РФ)
The method of the optimization of wood chips production in dick chipper
Деревообрабатывающий комплекс отличается уровнем автоматизации, постоянной производительностью и фракционным составом технологической щепы, что исключительно влияет на качество лесопродукции. Способы оптимизации широко используются при проектировании технических средств и оборудования для переработки древесины. Технологическая щепа по ГОСТ 15815 – 83 распространяется на технологическую щепу для целлюлозно-бумажного, гидролизного производства, изготовления древесностружечных, древесноволокнистых плит, зависит от назначения и марок.
В процессе реза стружки на щепу контролируют силу резания Р и по параметрам ее гармонического изменения контролируют режим резания древесины из условия: чем меньше период, тем самым меньше толщина щепы и наоборот, чем меньше размах, тем меньше ширина при постоянной длине, толщине марки щепы.
Техническим результатом является повышение производительности процесса оптимизации для повышения качества щепы по требованиям стандарта. В существующих рубительных машинах реализация процесса резания включает срезание толстой стружки, контроль геометрических параметров получаемой щепы и корректировку режима резания включающих: число оборотов в минуту, угла наклона или угла разворота подаваемой заготовки в загрузочное устройство (патрон) к ножам на диске, геометрических параметров заточки ножа. Этот способ является трудоемким и имеет существенные недостатки.
В нашем случае техническим результатом устройства является повышение производительности процесса с целью получения стабильной однородной по толщине и ширине, что улучшает ее качество и способствует облегчению ее последующей обработки. Это достигается за счет применения косвенного контроля толщины и ширины щепы по параметрам силы резания, измеряемой и регистрируемой, хотя бы, в пределах одного реза ножа. Результат такого контроля используется для оптимизации процесса получения, хотя бы, за счет изменения числа оборотов ножа, за счет изменения угла наклона подаваемой заготовки древесины [1].
Объект характеризуется ограничительными признаками: признаки реализации процесса резания, геометрических параметров получаемой щепы, корректировки режима резания по результатам контроля геометрических параметров щепы.
Отличительные признаки состоят в том, что рубительную машину оснащают диномометрическим устройством и приборами для определения и регистрации силы резания в пределах одного реза заготовки и по регистрируемой кривой изменения силы резания, выделяют гармоническую вариацию силы резания, анализируют участок, соответствующий установившемуся процессу резания.
Каждому максимуму гармонической изменяющейся силы резания, соответствует акт щепообразвания. В качестве параметра оптимизации для корректировки режима резания принимают размах и период гармонически изменяющейся силы резания.
Корректировку режима резания проводят из условия: чем меньше размах, тем меньше ширина щепы; чем меньше период, тем меньше толщина щепы при постоянной длине.
Причинно-следственная связь между существенными признаками и техническим результатом состоит в том, что экспериментально установлена и объяснена связь периода и размаха силы резания при элементарных актах щепообразования с геометрическими параметрами щепы. Это создает условия анализа регистрации сил взаимодействия по совершенствованию механизма резания дисковой рубительной машины.
На рис.1 показана схема щепообразования в дисковой рубительной машине.
1 - режущий нож; 2 - заготовка образца древесины; 3 - загрузочный патрон;
4 - динамометрическое устройство; 5 - котронож; 6 - фундамент; 7 - щепа
Рисунок 1- Схема щепкообразования в дисковой рубительной машине
Обоснование способа состоит в следующем. Рассмотрим процесс продольно-поперечно-торцевого резания после того как торец заготовки древесины, сформирован лезвием ножа.
При внедрении ножа на рис. 1 рубительной машины в тело
заготовки 2, установленной соответствующим образом относительно плоскости ножа
( и ножевого диска), в загрузочном патроне растет соответственно усилие Y
резания, измеряемое динамометрическим устройством 4 и регистрируемое приборами
записи и анализа. Действие ножа в поверхностных слоях древесины вызывает рост
напряжений сжатия. На рис.2 
. и 
происходит сдвиг элементарного объема древесины. Это
означает, что происходит акт щепкообразования. Этому времени соответствует
некоторый момент времени Х1 и некоторая величина Y1 силы резания [2].
Рисунок 2- Схема иллюстрирующая определение геометрических параметров щепы по записи изменения Y резания от времени X одного реза ножа
Сдвиг (скол) щепы приводит к падению напряжения и усилия резания, перемещение режущего ножа приводит к нагружению последующих слоев древесины и соответственно к росту силы резания до интервала х1 – х2 времени следующего акта щепообразования. Процесс щепкообразования происходит до выхода ножа из древесины реза – процесс завершается. На записи изменения силы резания в процессе одного раза легко выделить три характерных участка: х1 – участок вырезания; х1 – хi – участок установившегося резания, характеризующийся гармоническим изменением силы резания во времени и сопровождающийся стабильным процессом щепкообразования: хi – хj участок выхода ножа из резания.
Экспериментальные исследования позволяют заключить, что число максимумов на гармонически изменяемой кривой изменения силы резания в установившийся период резания равно числу образовавшихся щепок. Они также показали, что период T= х1 – х2; х2 – х3 между соседними максимумами соответствует толщине щепы t. Иначе T= t * k, где k – коэффициент пропорциональности, определяемый экспериментально. В то же время экспериментально установлено, что размах h взаимосвязан с шириной щепы при постоянной ее длине, то есть b=t(h). Установленные зависимости можно охарактеризовать условием: чем меньше период, тем меньше толщина щепы и, наоборот, чем меньше размах, тем меньше ширина щепы и наоборот. Эти зависимости вполне объяснимы с позиций сопротивления материалов и механики деформируемого тела.
Пример 1 реализации способа. В качестве заготовки брали сосну. Задавали определенный режим резания и длину щепы. Осуществляли резание до образования полного торца на заготовке. Образованный торец заготовки смазывали клеящим веществом, не мешающим сдвигу щепок, но исключающим их разлетание. Осуществляли рез и записывали осциллограмму силы резания. Брали образовавшийся слепок щепок, считали их число, замеряли геометрические размеры и сопоставляли с результатами записи изменения силы резания в период установившегося резания. По соотношению периода силы резания и толщины щепок устанавливали необходимость корректировки режима резания. Например, за счет изменения угла заострения ножа. По соотношению размаха силы резания и ширины щепы устанавливали необходимость корректировки режима резания. Например, за счет угла наклона и угла разворота заготовки к плоскости ножа. Если требовалась корректировка – проводили ее. При повторном резе сравнивали полученные вновь осциллограммы силы резания и геометрических параметров стружки показывало, правильно ли было выбрано направление корректировки. После 3 - 4 таких процедур удалось обеспечить получение щепы требуемых параметров, то есть удавалось произвести оптимизацию процесса резания по геометрическим параметрам щепы. Это на порядок быстрее, чем в способе-прототипе.
Пример 2. Реализация способа. Все делали также, но в качестве заготовки брали березу. Получали щепу других параметров, но оптимизация также обеспечивалась, то есть технический результат достигался.
Запатентованный способ позволяет быстро производить оптимизацию процесса получения щепы заданных размеров, чем повышается качество щепы в производительных и научных исследованиях [3].
Выводы: используя график изменения силы резания, можно подсчитать работу, затрачиваемую на резание и подобрать мощность электродвигателя, что создает условия по совершенствованию конструкции механизма резания дисковой рубительной машины [4].
Литература
1. Патент РФ № 21939667 В27 111/02. Способ оптимизации получения щепы на рубительных машинах / Б.Я. Мокрицкий, Ю.В.Рубцов, В.А.Соловьев, И.С.Медведев. Опубл. 10.12.2002 Бюлл. № 34.
2. Патент РФ № 2198785 7В 282111/02. Дисковая рубительная машина для исследования процесса резания / Б.Я.Мокрицкий, Ю.В.Рубцов, В.А.Соловьев, В.Г.Косицын / опубл. 20.02.2005. Бюлл. № 5.
3. Рубцов Ю.В., Коннова Г.В., Лейзерович Г.С. Исследования процесса резания рубительной машиной / Актуальные проблемы лесного комплекса. Сб. научных трудов по итогам международной научно-технической конференции. Выпуск №22 – Брянск: БГИТА. 2009. - С. 274 – 279.
4. Рубцов Ю.В., Коннова Г.В., Щетинин В.С. Совершествование конструкции механизма резания дисковой рубительной машины //Вестник машиностроения. -2011. -№1.