Введение
Повышение энергоемкости производства, в том числе и лесозаготовительного, количества техники, задействованной в производственных процессах, а также постоянный рост цен на энергоносители является серьезным фактором, увеличивающим важность вопроса об экономии энергии и повышении энергетической эффективности. Универсальных способов экономить энергию на данный момент не существует, но разработка методик, технологий и устройств, помогающих вывести энергосбережение на качественно новый уровень, является приоритетной задачей научно-технического прогресса, в том числе и в лесозаготовительной отрасли.
Цель исследования
Повышение энергетической эффективности использования бензомоторных пил на лесозаготовках путем определения оптимальных режимов нагрузки.
Материалы и методы исследования
В ручном лесозаготовительном моторном инструменте и в срезающих устройствах лесозаготовительных машин в качестве режущего элемента наиболее широкое применение нашли пильные цепи. Ведущие фирмы производители моторных инструментов, лесозаготовительных машин, и пильных цепей постоянно проводят работы по совершенствованию цепных пильных аппаратов. Основными направлениями совершенствования являются повышение их надежности, повышение производительности чистого пиления, и снижение энергоемкости процесса пиления. Большое количество однотипных пильных цепей, совместно с различными рекомендациями по их эксплуатации, а также различными параметрами приводов пильных цепей приводят к необходимости определения влияния показателей пиления на энергетическую эффективность процесса поперечной распиловки древесины пильными цепями. [1]
В теоретических исследованиях физико-механических свойств древесины принято рассматривать ее, как органический материал с ортотропной анизотропией. Для рассмотрения и исследования древесины строятся математические модели различных напряженных состояний древесины под воздействием концентрированных и распределительных нагрузок, в том числе и при резании ее резцом.
В большинстве случаев пригодность использования математических моделей весьма ограничена из-за влияния множества факторов, снижающих их точность. Кривизна годовых слоев и их толщина не постоянны. Распределение слоев по длине ствола, свилеватость волокон, наличие сучков, влажность древесины по длине и поперечному сечению ствола, наличие и распределение смолистых веществ хвойных пород, и другие факторы постоянно меняются. Это затрудняет построение моделей, пригодных для практического использования.
В этих условиях весьма важным становится отыскание и оптимизация путей получения адекватных эмпирических данных о влияния показателей пиления на энергетическую эффективность процесса поперечной распиловки древесины пильными цепями. Для этого был разработан «Стенд для сравнительных испытаний пильных цепей», позволяющий измерять и регистрировать основные характеристики процесса работы пиления древесины пильными цепями.
Основными узлами стенда (Рис.1) являются пильный узел (поз. 1), транспортер для подачи образцов (поз. 2), измерительно-регистрирующая аппаратура (поз 3).
Пильный узел состоит из трех, расположенных параллельно друг другу пильных блоков (поз. 4), выполненных на основе электропил. Пильные блоки крепятся к площадкам (поз. 5) тензозвеньями (поз. 6), с помощью которых измеряются усилие резания и подачи. Перемещение пильных узлов по направляющим стойкам (поз. 7) производится механизмом, включающим вариатор со встроенным двигателем (поз. 8), червячный редуктор (поз. 9) и систему передач (поз. 10). Это позволяет менять скорость подачи от 0,04 м/с до 0,5 м/с.
Механизм подачи образцов под пильные блоки представляет собой роликовый транспортер, состоящий из двух секций: приводной (поз. 11) и не приводной (поз. 12). Для удержания образцов во время пиления над приводной секцией рольганга установлена прижимная рамка (поз. 12), который устраняет смещение образца во время пиления.
Измерительно-регистрирующая аппаратура состоит из самопишущего ваттметра (поз. 13)., усилителя 8АНЧ (поз. 14), с блоком питания. Для тарировки величины резания и усилия отжима используется динамометр.
Управление работой механизмов стенда осуществляется с пульта управления (поз. 15). Силовая аппаратура и аппаратура управления размещены в шкафу. Силовой блок пильного узла состоит из преобразователя частоты тока и комплекта пусковых устройств на 3 электропилы.
Рис. 1. Общий вид стенда
На экспериментальном стенде проводятся измерения усилий резания и подачи, а также мощности резания. Блок-схема для измерения усилий резания и подачи включает в себя тензопреобразователи, включенные по мостовой схеме. Запись усилий резания и подачи производится на фотобумаге. Электропитание усилителя и осциллографа осуществляется от соответствующих блоков питания. Мощность резания измеряется с помощью самопишущих ваттметров, подключенных в силовую цепь двигателей электропил.
Пиление однородной древесины невозможно. Кроме того невозможно создать и измерить строго определенные режимы в процессе сравнительных испытаний. Поэтому необходимо проводить пиление пильными цепями одновременно на одном и том же образце так, чтобы в зоне пиления физико-механические свойства древесины были максимально приближены к одинаковым. С этой целью пильные шины с разными цепями располагаются на возможно близком расстоянии 30-50 мм. При этом исключается взаимное влияние формируемых пропилов и самопроизвольное скалывание отпиливаемых торцевых пластин. Кроме того появляется возможность получать большую наработку на цепи при высокой экономии древесины. [5]
Значение удельной работы резания при пилении определяется по формуле:
где: 
-удельная работа резания, Дж/м'3; 
-мощность пиления, Дж/с; 
-к.п.д. передачи от двигателя к цепи; b –ширина пропила, м; Н- высота пропила, м; 
-скорость подачи, м/с; 
- коэффициент трения цепи по шине; Р0 -усилие отжима, Н; Рр - усилие резания, Н.
Приняв постоянными
, b, U, , оценку основного показателя
можно вычислить, если будет известно 
, , Р0 ,
.
Значение мощности пиления 
можно определить, измеряя активную мощность
, привода, т.е. электродвигателя пилы типа ЭПЧ-3 и 
к.п.д. привода. Тогда значение удельной работы резания можно вычислить по формуле:
где: Ng - мощности электродвигателя , кВт; 
-к.п.д. привода.
Если подобрать скорость 
пилы на образец древесины, так чтобы загрузка электродвигателя была номинальной, то можно считать
близким к постоянному. Тогда достаточно измерение трех основных величин Ng - мощности электродвигателя, - усилия резания и 
-усилия отжима. Тарировка измерительных каналов проводилась обычными методами при одинаковом креплении пильных аппаратов. Чтобы получить результат сравнения затрачиваемой мощности на пиление, наименьшие показатели одной из пильных цепей принимаются за единицу, а все остальные выражаются в относительных единицах.
В процессе испытаний на экспериментальном стенде происходит штатная распиловка бревен, а для контрольных замеров распиливаются брусья. [4]
Основным эксплуатационным показателем работы пильных цепей является производительность чистого пиления (П чп), повышение которой можно обеспечить путем повышения скорости резания или подачи на зуб, при прочих равных условиях. Более крупнозвенные пильные цепи имеют большее предельное усилие на разрыв, что позволяет увеличивать подачу па зуб, по сравнению с цепями, имеющими меньший размер звеньев. С другой стороны, цепи с меньшим размером звеньев лучше приспособлены к работе на больших скоростях. В этой связи, были экспериментально определены средние значения полной мощности, производительности чистого пилении, подачи па зуб, усилия резания и удельной работы пиления при различных значениях усилия подачи и высоты пропила для пиления цепями ПЦУ-10,26 и ПЦУ-15 со скоростью резания соответственно 7,0 и 6,9 м/с. По полученным показателям работы пильных цепей были рассчитаны коэффициенты линейных уравнений зависимости полной мощности и производительности чистого пиления от усилия подачи.
Экспериментальные данные показали, что часть мощности, независящая от усилия подачи , у пильных пеней ПЦУ-15 больше, чем у пильных цепей ПЦУ-10,26. Мощность холостого хода пильных цепей по шине является частью общей потребной мощности и для пильных цепей ПЦУ-10,26 и ПЦУ-15 соответственно составляет 250 Вт. и 300 Вт.
С возрастанием высоты пропила увеличивается число режущих, зубьев цепи, одновременно снимающих стружку, и уменьшается соответствующая определенному усилию подачи толщина стружки. Опыты показали, что усилие резания при изменении высоты пропила остается постоянным и для каждой пильной цепи определяется только усилием подачи. Максимальные Рр макс и средние Рр ср значения усилия резания в зависимости от усилия подачи приведены в табл. 1. [4]
Таблица 1
Максимальные Рр макс и средние Рр ср усилия резания при работе исследуемых пильных цепей
|
Марка пильной цепи |
Рр, Н |
Усилие подачи Рu, Н |
|||||
|
25 |
50 |
75 |
100 |
125 |
150 |
||
|
ПЦУ-10,26 |
Рр макс Рр ср |
100 200 |
150 250 |
250 350 |
300 400 |
400 500 |
450 550 |
|
ПЦУ-15 |
Рр макс Рр ср |
100 200 |
200 300 |
250 350 |
350 450 |
400 500 |
500 600 |
Данные табл. 1 показывают близкий к пропорциональному рост среднего усилия резания с увеличением усилия подачи при работе универсальных пильных цепей. Так же незначительно с изменением высоты пропила изменяется мощность, соответствующая определенному усилию подачи, что даст основание считать ее постоянной и равной среднему значению Nср.. Средние значения мощности Nср. , соответствующие разным усилиям подачи, основные ошибки этих
- величин и показатели точности Е приведены в табл. 2.
Таблица 2
Среднее значение мощности Nср., кВт, основные ошибки 
этих величин, кВт, и показатели точности ε, % этих величин
|
Марка пильной цепи |
Показатели |
Усилие подачи Рu, Н |
||||||
|
25 |
50 |
75 |
100 |
125 |
150 |
175 |
||
|
ПЦУ-10,26 |
Nср.
Ε |
750 13,4 1,8 |
1100 17,0 1,5 |
1440 27,5 1,9 |
1810 15,0 0,8 |
2130 23,5 1,1 |
2500 32,3 1,3 |
2860 26,6 0,9 |
|
ПЦУ-15 |
Nср.
Ε |
960 18 1,9 |
1310 15,1 1,1 |
1660 34,0 2,1 |
2015 36,2 1,8 |
2320 42,0 1,8 |
2660 38,0 1,4 |
- - - |
Расчет показал, что удельная работа пиления при высоте пропила меньше 0,12 м у пильной цепи ПЦУ-15 значительно выше, чем у пильной цепи ПЦУ-10,26. С другой стороны при пилении с высотой пропила больше 0,2 м удельная работа пиления цепью ПЦУ-15 меньше, чем у пильной цепи ПЦУ-10,26.
При выполнении следующей серии опытов средние значения полной мощности, производительности чистого пиления, усилия резания, удельной работы пиления подачи на режущий зуб в зависимости от усилия подачи были получены для работы пильных цепей ПЦУ-10,26 и ПЦУ-15 со снижением ограничителей подачи от 0,5 до 1,7 мм и высотой пропила 0,04, 0,08, 0,12 м. С целью определения оптимальных значений снижения. ограничителей подачи для пильных цепей на лесосеках с различными диаметрами деревьев, по полученным данным вычислены коэффициенты корреляционных уравнений зависимости полной мощности и производительности чистого пиления от усилия подачи. Расчеты показывают, что с увеличением снижения ограничителей подачи, в исследуемых пределах значения мощности и производительности чистого пиления, соответствующие любому значению усилия подачи, возрастают.
С помощью известных формул, используя коэффициенты корреляционных уравнений, вычислены значения усилия подачи, производительности чистого пиления и удельной работы пиления, соответствующие полному использованию мощности двигателя 2,0 кВт при работе пильных пеней ПЦУ-10,26 и ПЦУ-15 с исследуемыми значениями снижения ограничителей подачи. При расчете удельной работы пиления мощности холостого хода пильных цепей по шине принималось равной: для пильной цепи ПЦУ-10,26-250 Вт, для пильной цепи ПЦУ-15- 370 Вт. Полученные показатели представлены в табл. 4.
Таблица 4
Значение показателей пиления, соответствующие полному использованию мощности 2 кВт для работы пильных цепей ПЦУ-10,26 и ПЦУ-15
|
Высота пропила, Н, м |
Снижение ограничителя, h, мм |
Марка пильной цепи: |
|||||
|
ПЦУ-10,26 |
ПЦУ-15 |
||||||
|
Рu, Н |
Пч.п., |
Кп, |
Рu, Н |
Пч.п., |
Кп, |
||
|
0,04
|
0,5 0,8 1,1 1,4 1,7 |
94 88 82 77 74 |
0,0060 0,00615 0,00619 0,00606 0,00617 |
292 285 283 288 283 |
78 74 62 49 43 |
0,00515 0,00525 0,00500 0,00470 0,00458 |
316 309 325 345 354 |
|
0,08 |
0,5 0,8 1,1 1,4 1,7 |
92 87 84 73 67 |
0,00761 0,00747 0,00766 0,00719 0,00745 |
230 234 228 243 235 |
76 66 63 59 48 |
0,00660 0,00641 0,00646 0,00648 0,00657 |
248 253 252 250 247 |
|
0,12 |
0,5 0,8 1,1 1,4 1,7 |
95 89 81 67 61 |
0,00683 0,00730 0,00716 0,00652 0,00605 |
256 240 245 269 290 |
70 63 61 55 47 |
0,00523 0,00584 0,00596 0,00650 0,00614 |
310 278 272 250 264 |
Данные табл. 4 показывают, что с увеличением снижения ограничителей подачи режущих зубьев пильных цепей от 0,5 до 1,7 мм усилие подачи, необходимое для реализации мощности двигателя 2 кВт уменьшается при работе пильной цепи ПЦУ-10,26 на 21-36%, а при работе цепи ПЦУ-15 на 33-45%. Наибольшая производительность чистого пиления при полном использовании мощности 2 кВт получена при работе исследуемых пильных цепей со снижением ограничителей подачи 0,8-1,1 мм и равна в зависимости от высоты пропила для пильной цени ПЦУ-10,26 -0,00619-0,00730 м2/с, а для пильной цени ПЦУ-15 -0,00525-0,00657 м2/с,. Удельная работа пиления цепями ПЦУ-10,26 была меньше, чем для пильных пеней ПЦУ-15.
Анализ изменения максимального усилия резания при работе пильных цепей ПЦУ-10,26 со снижением ограничителей подачи от 0,5 до 1,7 мм показывает, что с увеличением снижения ограничителей подачи усилие резания возрастает. Наибольший прирост усилия резания соответствует меньшим значениям усилия подачи и высоты пропила. В этом случае самозатягивание пильного аппарата, вызванное реакцией снимаемой горизонтальной режущей кромкой зуба стружки, соизмеримо с усилием подачи.
Сопоставление роста усилия резания и мощности пиления при увеличении снижения ограничителей подачи показывает, что мощность возрастает более интенсивно, вследствие увеличения мощности сил трения пильной цепи о шину при повороте режущих зубьев в продольной плоскости.
Таким образом, с целью увеличения производительности чистого пиления и уменьшения удельной работы пиления и усилия подачи высоту снижения ограничительных упоров режущих зубьев пильных цепей целесообразно иметь в пределах от 0,8 до 1,4 мм. При этом меньшее снижение ограничителей подачи соответствует пилению с малой высотой пропила 0,12-0,2 м.[3]
Наибольшая производительность чистого пиления в случае работы пильной цепи ПЦУ-10,26 и наименьшая удельная работа пиления при этом объясняется тем, что мощность холостого хода этой пильной цепи меньше, а наличие в пропиле большего числа режущих зубьев обеспечивает более плавную работу и меньшее отклонение этих зубьев в поперечном направлении.
Аналогичными построениями нетрудно определить целесообразность использования пильных цепей для реализации любой задаваемой мощности в пределах от 1,0 до 3,0 кВт. Проведенное сравнение показателей работы пильных цепей дает основание рекомендовать для пиления со скоростью резания больше 10,0 м/с пильную цепь ПЦУ-10,26.
Результаты расчетов показывают, что с увеличением скорости резания интенсивность прироста мощности и производительности чистого пиления возрастает. Большую часть мощности трения пильной цени о шину составляет мощность холостого хода пильной цени. Этот показатель с увеличением скорости движения цепи возрастает сначала незначительно, а затем - ощутимо. Резкое увеличение мощности холостого хода пильной цепи ПЦУ-10,26 происходит при увеличении скорости резания больше 14,0 м/с, а пильной цепи ПЦУ-15 при увеличении скорости движения цепи больше 10,3 м/с
Используя значения коэффициентов корреляционных уравнений и мощности холостого хода пильных цепей по шине, были рассчитаны усилия подачи, производительности чистого пиления. Удельная работа пиления и коэффициенты полезного действия пильных аппаратов в зависимости от скорости резания при полном использовании мощности двигателя величиной 1,6; 2,0; и 2,4 кВт.
При работе исследуемых пильных цепей с высотой пропила 0,04 м производительность чистого пиления соответствующая полному использованию мощности свыше 2 кВт с повышением скорости резания возрастает, достигая максимального значения при скорости резания 14,0 м/с, а затем снижается. При пилении с высотой пропила 0,12 м и 0,2 м с увеличением скорости резания и соответствующим уменьшением усилия подачи удельная работа пиления возрастает, а производительность чистого пиления снижается. Интенсивность уменьшения производительности чистого пиления при этом возрастает с увеличением высоты пропила. Это показывает, что для повышения производительности чистого пиления за счет увеличения скорости резания при пилении с высотой пропила больше 0,12 м требуются приводные двигатели мощностью более 3 кВт, обеспечивающие возможность работы с достаточным усилием подачи.[4]
Таким образом, проведенные исследования показали целесообразность использования пильного аппарата с цепью ПЦУ-10,26 со снижением ограничителей подачи 0,8-1,4 мм. Оптимальные режимы работы этой пильной цепи в зависимости от мощности приводного двигателя и показатели пиления, соответствующие им приведены в табл. 5.
Таблица 5
Показатели рекомендуемых режимом работы пильной цепи ПЦУ-10,26
|
Nдв., кВт |
V, м/с |
Показатели пиления при высоте пропила, м: |
||||||
|
Η |
0,04 |
0,12 |
||||||
|
Рu, Н |
Пч.п., м2/с |
Кп, кДж/м2 |
Рu, Н |
Пч.п., м2/с |
Кп, кДж/м2 |
|||
|
1,2 1,6 2,0 2,4 |
7,0 10,5 14,0 14,0 |
0,73 0,77 0,77 0,79 |
57 63 57 70 |
0,0041 0,0051 0,0062 0,0075 |
236 272 276 280 |
54 56 53 66 |
0,0043 0,00053 0,0066 0,0083 |
215 245 260 255 |
Выводы:
1. Пиление с высотой пропила меньше 0,12 м характеризуется возрастанием удельной работой пиления при увеличении усилия подачи. Наибольший рост удельной работы пиления будет при работе с меньшими высотами пропила пильными цепями с большим шагом режущих зубьев.
2. Увеличение снижения ограничителей подачи режущих зубьев пильных цепей до 1,7 мм уменьшает усилие подачи, необходимое для реализации заданной мощности двигателя и способствует повышению производительности чистого пиления. Наилучшие показатели работы пильных цепей достигаются при снижении ограничителей подачи от 0,8 до 1,4 мм. При этом меньшее значение снижения ограничителей подачи выгоднее применять для пиления с меньшей высотой пропила (0,04-0,08 м).
3. Лучшие показатели работы обеспечивает пильная цепь ПЦУ-10,26. С увеличением скорости резания мощность холостого хода этой цепи возрастает в меньшей степени, чем у пильных цепей с большим шагом по осям заклепок.
4. С увеличением скорости резания повышаются производительность чистого пиления, мощность и удельная работа пиления. Усилие подачи, потребное для реализации заданной мощности и коэффициент полезного действия пильного аппарата при этом снижается.
5. Наилучшие показатели пиления при работе пильной цепи ПЦУ-10,26 в случае использования мощности двигателя больше 2,0 кВт достигаются при скорости резания, 14,0 м/с.
6. Для получения большей производительности чистого пиления за счет увеличения скорости резания при работе с высотой пропила больше 0,12 м требуются приводные двигатели мощностью более 3,0 кВт, обеспечивающие возможность работы с достаточным усилием подачи.
Рецензенты:
Иванов В.А., д.т.н., профессор, заведующий кафедрой «Воспроизводство и переработка лесных ресурсов», Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Братский государственный университет» г.Братск.
Мамаев Л.А., д.т.н., профессор, проректор по учебной работе Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Братский государственный университет», г.Братск.
Библиографическая ссылка
Елизаров Ю.М. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ВЛИЯНИЯ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ПИЛЕНИЯ НА ЭНЕРГЕТИЧЕСКУЮ ЭФФЕКТИВНОСТЬ БЕНЗИНОМОТОРНЫХ ПИЛ // Современные проблемы науки и образования. – 2014. – № 1. ;URL: https://science-education.ru/ru/article/view?id=12076 (дата обращения: 21.11.2024).