Применение аэростатических опор при совершенствовании лесопильных станков

наиболее практична и эффективна. Газостатические опоры, в которых в качестве смазочного материала используется воздух, называются, как отмечалось ранее, аэростатическими опорами. Области применения опор с газовой смазкой определяются свойствами газов. Важной характеристикой смазочного вещества является его вязкость. Сила трения прямо пропорциональна вязкости смазки и скорости движения подвижной поверхности относительно неподвижной. Вязкость воздуха примерно в 4000 раз меньше вязкости индустриального масла [1], поэтому аэростатические подшипники скольжения могут быть использованы при очень высоких и очень низких скоростях движения, при которых подшипники с пластичной и жидкостной смазкой неработоспособны. При использовании воздушной смазки в опорах скольжения подвижная и неподвижная поверхности разделены тонким слоем сжатого воздуха, поэтому отсутствует износ деталей, обеспечивается высокая точность движения и уменьшается уровень шума. Воздух истекает в окружающую среду под давлением, что исключает попадание пыли и грязи на поверхности опор извне и не требуется уплотнений в подшипниковых узлах. Воздух негорюч, поэтому аэростатические опоры могут успешно применяться в пожароопасных и взрывоопасных местах. Воздух может быть экологически чистым и стерильным, поэтому аэростатические опоры могут быть использованы в пищевой промышленности и медицинской технике. Воздух (как и другие газы) обладает физической стабильностью (вязкость незначительно изменяется от температуры и давления) и химической стабильностью (стойкостью к окислению), поэтому аэростатические опоры могут эффективно работать как при низких так и при высоких температурах.

Аэростатические опоры имеют и недостатки. Воздух сжимаем (имеет малую жесткость), что снижает несущую способность аэростатических опор. Воздушная смазка не обладает граничными свойствами, присущими жидкостной смазке. При прекращении подачи воздуха в зазор между подвижной и неподвижной поверхностями происходит непосредственный контакт этих поверхностей и аварийный выход опоры из строя. Поэтому материалы аэростатических опор должны изготавливаться из антифрикционных материалов, позволяющих максимально снизить трение без смазки в период аварийной остановки машины.

Таблица. Принципиальные схемы узлов резания лесопильных станков с аэростатическими направляющими для пил

В Северном (Арктическом) федеральном университете на кафедре прикладной механики и основ конструирования под руководством проф. Г.Ф. Прокофьева инициативно в рамках аспирантских работ ведутся работы по использованию аэростатических опор в различных областях техники, в частности в лесопиление. Конструкция плоских аэростатических опор, теоретические и экспериментальные исследования, примеры их использования приведены в работе [2]. Пиление древесины на лесопильных станках производится рамными, ленточными и круглыми пилами, представляющими собой тонкие стальные полосы, ленты и диски, на одной из кромок которой выполнены зубья. Они имеют малую жесткость и устойчивость, что не позволяет обеспечивать высокую точность пиления древесины при больших скоростях подачи. Идти на увеличение толщин рамных и круглых пил нецелесообразно, так как увеличивается расход древесины в опилки и энергозатраты, а у ленточных пил, кроме этого, возрастают напряжения изгиба пилы на шкивах, и снижается долговечность пил, которая и так является недостаточной. Увеличение натяжения рамных и ленточных пил также снижает долговечность пил.

Одним из эффективных направлений повышения жесткости и устойчивости пил является уменьшение их свободных длин в плоскостях наименьшей и наибольшей жесткости. Это может быть достигнуто при использовании для пил направляющих, расположенных над и под распиливаемым материалом, с рабочими поверхностями, выполненными в виде аэростатических опор. Применение аэростатических направляющих для пил может быть использовано при модернизации существующих лесопильных станков и создания станков нового типа. Принципиальные схемы узлов резания существующих конструкций лесопильных станков, модернизированных и нового типа приведены в таблице. На схемах 1.1, 2.1 и 3.1 показаны узлы резания лесопильных станков, широко применяемые в отечественной промышленности. Пилы имеют большие свободные длины, низкую жесткость и устойчивость, а следовательно малую точность пиления. При установке над и под распиливаемым материалом аэростатических направляющих для пил (схемы 1.2, 2.2 и 3.2) свободные длины пил в плоскости их наименьшей плоскости уменьшаются в несколько раз, повышается жесткость пил, а следовательно, точность пиления. Это является эффективным направлением модернизации действующих в промышленности лесопильных станков.

У лесопильных рам традиционной конструкции (табл., схема 1.1) свободная длина пил l в боковом направлении равна расстоянию между верхними и нижними межпильными прокладками, обеспечивающими позиционирование пил на определенном расстоянии друг от друга в соответствии с толщинами выпиливаемых пиломатериалов. Межпильные прокладки вместе с пилами совершают возвратно-поступательное движение. Свободная длина пил в этом случае

I = h

1   ,l max

+ H,

где h_max - максимальная высота распиливаемого материала, мм; H - ход пил с пильной рамкой, мм.

При установке над и под распиливаемым материалом направляющих для пил и жесткого закрепления их на станине (табл., схема 1.2) свободная длина пил l уменьшается на величину хода пил H и равна максимальной высоте пропила h_max . Так, если распиливается брус высотой h =200 мм на лесопильной раме с ходом H =600 мм, то при использовании направляющих для пил свободная длина l уменьшается в 4 раза.

Для снижения трения пил о направляющие их рабочие поверхности целесообразно выполнить в виде аэростатических опор. Это является эффективным направлением модернизации действующих лесопильных рам. Конструкция узла резания модернизированной лесопильной рамы приведена на рис. 1.

При использовании направляющих для пил у действующих лесопильных рам жесткость пил может быть повышена в 3-5 раз (в зависимости от высоты пропила) [3]. В то же время устойчивость пил, характеризуемая критической силой Р кр , увеличивается лишь на 3050% [3], так как устойчивость в большей степени зависит от свободной длины пилы L в плоскости её наибольшей жесткости, равной расстоянию между осями захватов, которая при модернизации лесопильных рам путем установки направляющих не изменяется.

Исследованиями установлено, что при уменьшении l до 200 мм за счет установки направляющих для пил и L до 500 мм (за счет уменьшения хода пил) возможно качественное пиление брусьев высотой до 200 мм нерастянутыми рамными пилами, при этом жесткость и устойчивость пил находятся на уровне показателей растянутых пил двухэтажных лесопильных рам. Схема рамной пилы с уменьшенными свободными длинами l и L приведена в табл. (схема 1.3). Это направление позволяет создать лесопильную раму нового типа.

Рис. 1. Конструкция блока направляющих для пил лесопильных рам:

1 – пилы; 2, 12 – соответственно промежуточные и крайние направляющие элементы; 3 – втулки; 4, 13, 14 – гайки; 5 – стержни; 6 – кронштейны; 7 – станина лесопильной рамы; 8 – приливы; 9 – базовые выступы кронштейнов; 10 – отверстия; 11 – прорези; 15 – прокладки; 16, 17 – лыски; 18 – крепеж

На базе тарной лесопильной рамы РТ-36 создана экспериментальная лесопильная рама с нерастянутыми «плавающими» пилами, совершающими возвратно-поступательное движение в аэростатических направляющих. Общий вид узла резания экспериментальной лесопильной рамы показан на рис. 2. Наши исследования показали следующие преимущества лесопильной рамы нового типа по сравнению с лесопильными рамами традиционной конструкции того же назначения:

• 1)    габаритные размеры и металлоёмкость лесопильной рамы новой конструкции уменьшаются в 2-3 раза;

• 2)    энергозатраты станка снижаются на 1520%;

• 3)    расход древесины в опилки снижается на 30-40%;

• 4)    обеспечивается получение пиломатериалов высокого качества.

Рис. 2. Общий вид узла резания экспериментальной лесопильной рамы с нерастянутыми пилами, совершающими, возвратнопоступательное движение в аэростатических направляющих

Повысить жесткость и устойчивость ленточных пил можно за счет уменьшения свободной длины в плоскости наименьшей l и наибольшей L жесткости. Этого можно достигнуть за счет применения направляющих, установленных над и под распиливаемым материалом (табл. схема 2.2). Более эффективны односторонние направляющие. Они уменьшают свободную длину пилы в плоскости наименьшей жесткости и за счет этого увеличивают её жесткость и устойчивость, повышают точность движения пилы в зоне резания, устраняют колебания пилы. Такой тип направляющих находит все большее применение в ленточнопильных станках. Значительно снизить трение пилы о направляющие можно, если их рабочие поверхности выполнить в виде аэростатических опор (рис. 3).

Рис. 3. Конструкция ленточнопильного станка с отжимными аэростатическими направляющими: 1, 6 – соответственно ведомый и ведущий пильные шкивы; 2 – отжимные аэростатические направляющие; 3 – ленточная пила; 4 – основание станка; 5 – привод ведущего пильного шкива; 7 – механизм натяжения пилы

Достоинства отжимных аэростатических направляющих состоят в том, что они максимально снижают трение пилы о направляющие, происходит охлаждение пилы воздухом, отсутствует износ направляющих и не требуется использовать дорогие теплостойкие и износостойкие материалы. Общий вид отжимной аэростатической направляющей показан на рис. 4. По воздухопроводу 5 от компрессора поступает сжатый воздух в полость корпуса 2 , а затем, проходя через отверстия поддува 3 , распределяется по микроканавкам 4 и выходит в атмосферу. Образующийся слой сжатого воздуха между рабочей поверхностью направляющей и ленточной пилой 1 служит газовой смазкой и уменьшает трение между пилой и направляющей.

В работе [4] показано, что применение отжимных направляющих вместо щелевых двухсторонних, широко применяемых в настоящее время, позволяет повысить жесткость пилы более, чем в 2 раза. Устойчивость пилы, характеризуемая величиной критической силы Ркр, увеличивается при использовании отжимных направляющих лишь на 30-40%, так как на устойчивость оказывает большое влияние не свободная длина пил в плоскости наименьшей жесткости l, а свободная длина пил в плоскости наибольшей жесткости L, которая при установке отжимных направляющих не изменятся. Для дальнейшего повышения устойчивости пилы необходимо уменьшить свободную длину пилы в плоскости наибольшей жесткости L. Это может быть достигнуто при использовании ленточнопильного станка с пилой, движущейся по криволинейным аэростатическим направляющим (табл. схема 2.3). У станка такого типа свободная длина пилы L уменьшается в 46 раз и значительно повышается устойчивость пилы. Конструкция ленточнопильного станка с пилой, движущейся по криволинейным аэростатическим направляющим, предложена, научно обоснована и технически проработана проф. Г.Ф. Прокофьевым и приведена на рис. 5. Испытания созданного опытного образца (рис. 6) ленточнопильного станка с криволинейными аэростатическими направляющими [4] подтвердили перспективность выбранного направления совершенствования ленточнопильных станков.

Рис. 4. Конструкция отжимной аэростатической направляющей ленточнопильного станка:

1 – пила; 2 – корпус; 3 – отверстие поддува; 4 – распределительная канавка; 5 – воздухоподводящая магистраль

Рис. 5. Ленточнопильный станок с пилой, движущейся по криволинейным аэростатическим направляющим:

1 – ограждение; 2 – пила; 3, 6 – верхняя и нижняя криволинейные аэростатические направляющие; 4 – механизм натяжения пилы; 5 – механизм подачи; 7, 8 – приводные фрикционные колеса

Рис. 6. Ленточнопильный станок ЛСД 150 с пилой, движущейся по криволинейным аэростатическим направляющим

Достоинства ленточнопильного станка с криволинейными аэростатическими направляющими следующие:

• 1)    при замене круглопильных станков и лесопильных рам традиционной конструкции ленточнопильными станками нового типа расход древесины в опилки может быть уменьшен в 2-4 раза;

• 2)    отсутствие пильных шкивов у ленточнопильного станка новой конструкции устраняет основной источник шума;

• 3)    исследования показали и испытания подтвердили, что долговечность пил повышается более чем в 20 раз. Это позволяет оснастить зубья тверды сплавом и уменьшить расход пил в 10-15 раз. При этом улучшается качество получаемых пиломатериалов, и уменьшаются трудозатраты на подготовку и эксплуатацию пил;

• 4)    габаритные размеры и металлоемкость ленточнопильного станка новой конструкции снижаются в 1,5-2 раза по сравнению с аналогичным станком с пильными шкивами;

• 5)    энергозатраты на работу станка снижаются на 10-15%;

• 6)    расход древесины в опилки снижается на 10-15%.

Оригинальность технических решений, использованных при разработке конструкций новых лесопильных станков, не имеющих зарубежных аналогов, подтверждают 12 авторских свидетельств и патентов.В настоящее время авторами ведутся следующие работы:

• -    исследования охлаждающей способности аэростатических направляющих;

• -    оптимизация конструкций аэростатических направляющих;

• -    совершенствование конструкций узлов резания лесопильных станков;

• -    создание новых лесопильных модулей для гибких автоматизированных лесопильных линий.