Анализ устойчивости и напряженного состояния ленточных пил для раскроя древесины
Спицын И.Н. (СибГТУ, г. Красноярск, РФ)
In work results of the analysis of stability and the pressure arising in a band saw while in service, and also the analysis of rate of an inclination of saw pulleys with an estimation of the consequences influencing working capacity and stability of dynamic system of a band mill are stated.
В последние годы в России расширился объем выпускаемой пилопродукции, получаемой раскроем крупномерных бревен на ленточнопильных станках. При эксплуатации ленточнопильных станков, в полотне ленточной пилы возникают напряжения различной физической природы. Суммарное напряжение ленточных пил складывается из многих составляющих, которые условно можно разделить на две категории для конкретного станка: управляемые и неуправляемые. К неуправляемым можно отнести напряжения: от изгиба пилы на шкивах и от центробежных сил. К управляемым напряжениям: напряжение от сил резания, от радиального и торцевого биения шкивов, силы натяжения и напряжения от наклона шкивов. Суммарное напряжение по граничным условиям не должно превышать предел усталости ленточной пилы. В тоже время обеспечение жесткости и устойчивости ленточной пилы функционально связано с силой натяжения. Поэтому для повышения устойчивости пилы в зоне резания с целью увеличения качества получаемого пиломатериала следует соблюдать условия эксплуатации, не позволяющие превышать предел усталости. Это достигается за счет регулирования величины управляемых напряжений. Одним из путей снижения управляемых напряжений является оптимизация величины наклона пильных шкивов с учетом степени вальцевания.
Проф. А.Э. Грубе [2] утверждает, что в месте набегания пильной ленты на шкив угол между продольной осью ленты и осью вращения шкива будет прямым. При движении пилы, вальцованной «на конус», выполнение этого условия обеспечивает симметричный наклон шкивов в сторону зубчатой кромки – более короткой, чем задняя кромка. При этом кромки натянутой пилы принимают дугообразную форму [3,4], радиус R – изгиба которой характеризуется стрелкой изгиба (высотой h хорды L) при ее длине, равной межосевому расстоянию «L» для пильных шкивов (рисунок 1). Так как дуга между осями шкивов (точки А и В) есть часть окружности, определяемая радиусом R, то она характеризуется также и более малой величиной – стрелой изгиба f на базовой длине F=1000 мм, величиной вальцевания пилы «на конус».
Рисунок 1 – Расчетная схема взаимного положения шкивов
Из соотношения элементов круга хорда, равная межосевому расстоянию L (рисунок 1) аппроксимируется функцией
(1)
где R – радиус изгиба задней кромки пилы с выпуклостью f на длине 1000 мм;
<φ –угол между осями симметрично наклоненных шкивов, град;
<α – угол между осью шкива и осью симметрии О – О1, град.
Так же из соотношения элементов сектора окружности радиус изгиба определяется по функции
(2)
где h – высота сегмента, мм.
В силу малости второй слагаемой в функции 2 значение R можно определять по выражению
(3)
Так как радиус изгиба R постоянен по всей окружности, принимаем длину хорды равной базе измерения стрелы выпуклости кромки F=1000 мм., соответственно высота сегмента будет равна величине прогиба f.
(4)
Подставляя значение (4) в выражение (1) и преобразовывая, находим значение sinα:
(5)
Смещение точки А в право, в силу малости угла поворота шкива, несущественно
тогда 
(7)
Симметричный наклон шкивов характеризуется одинаковой величиной отклонения Н внутренних кромок обода шкивов от линии, соединяющей наружные кромки (линия NM) и независимо от ее отклонения от вертикали определяется соотношением:
(8)
Для малых углов, которыми определяется
область изменения наклона пильных шкивов, справедливо равенство 
.
Тогда отклонение кромки при наклоне H шкива составит:
(9)
а с учетом равенства (5)
(10)
При отсутствии свеса верхнего шкива над нижним наклон нижнего приводного шкива осуществляется установкой калиброванных пластин между подшипниковой опорой шкива и основанием станины станка. Данная операция производится в том случае, если механизм изменения наклона приводного шкива конструкцией не предусмотрен.
Наклон верхнего шкива осуществляется с помощью механизма изменения наклона, имеющегося на станках всех известных отечественных и зарубежных
Выбор параметров положения шкивов зависит от степени вальцевания пилы, поэтому для определения степени вальцевания характеризуется величиной прогиба, определяемого из уравнения [2]:
(12)
где σ – превышение напряжений в передней кромке, МПа;
Е – модуль упругости стали, МПа;
В – ширина полотна пилы без зубьев, мм;
F – база измерения стрелы выпуклости кромки, мм.
Далее по уравнениям (7), (10) и (12) определяются величины свеса, взаимного наклона шкивов и, при необходимости, толщины калиброванных пластин при регулировке приводного шкива.
Несоответствие степени вальцевания пилы параметрам взаимного положения шкивов (соотношения (7) и (10)) приводит к следующим нежелательным явлениям при работе пилы:
1. В ленточной пиле, помимо неуправляемых напряжений, таких как напряжение от изгиба на шкивах, напряжение от центробежных сил, возникают напряжение от наклона шкивов, что увеличивает суммарное напряжение, тем самым повышает вероятность порыва полотна ленточной пилы.
2. При плоских ободах шкивов не обеспечивается требуемый свес впадин зубьев над передней кромкой шкивов. Устойчивое движение пилы будет обеспечиваться только при значительном изменении величины свеса или при движении зубьев по поверхности шкива.
3. При выпуклых ободах шкивов и смешанном вальцевании пилы регламентированный свес кромок может быть достигнут известным способом, но при этом одна из кромок пилы будет ослаблена, что существенно снизит устойчивость полотна пилы в боковом направлении от действия сил резания, что способствует увеличению разнотолщинности пиломатериалов.
4. Устойчивость ленточной пилы в зоне резания функционально связанно с напряжением от натяжения ленточного полотна. Величину данного напряжения возможно увеличить за счет перераспределения напряжений в полотне. В связи с тем, что в величине суммарных напряжений будут отсутствовать напряжения от наклона пильных шкивов, соответственно на эту величину допускается увеличить силу натяжения.
Литература
1. Грубе, А.Э. Дереворежущие инструменты [Текст]/ А.Э. Грубе. – М.: Лесная пром – сть, 1971. – 344 с.
2. Феоктистов, А.Е. Ленточнопильные станки [Текст]/ А.Е. Феоктистов. – М: Лесная пром – сть, 1976. – 152 с.
3. Кузнецов, А.М. Теоретическое и экспериментальное исследование условий, обеспечивающих устойчивость ленточных пил [Текст]: дис. … канд. техн. наук. – Л.: ЛТА, 1968.